MOSFET-Audioschalter

In der Praxis des Amateurfunks stoßen wir häufig auf die Notwendigkeit einer effektiven Audiopfadverwaltung, insbesondere beim Übergang zwischen Empfang (RX) und Senden (TX). Einer der nervigsten Nebeneffekte bei der Bearbeitung von Audiodaten in Echtzeit sind unerwünschte Transienten, die sich im Kopfhörer oder Lautsprecher als unangenehmes Knacken, „Plopp“, bemerkbar machen. Sie können auch eine Gefahr für das Gehör des Bedieners darstellen.

Die Lösung dieses Problems ist ein elektronischer Audioschalter mit definierten Zeitkonstanten, der beim Senden eine sofortige Trennung des Signals und bei der Rückkehr zum Empfang eine allmähliche, reibungslose Verbindung gewährleistet. Im folgenden Artikel gehen wir ausführlich auf die für diesen Zweck konzipierte Verbindung mit kostengünstigen MOSFET-Transistoren ein.

Warum MOSFET statt Relais wählen?

Die traditionelle Art und Weise, den Ton in Amateurfunkgeräten umzuschalten, war früher ein mechanisches Relais. Obwohl das Relais im geöffneten Zustand eine hervorragende Isolierung und im geschlossenen Zustand einen nahezu null Widerstand bietet, weist es mehrere große Nachteile auf. Der erste ist mechanischer Verschleiß und eine begrenzte Schaltgeschwindigkeit. Der zweite und für Audio kritischere Punkt ist die Unfähigkeit, die Vorder- und Hinterflanken des geschalteten Signals zu beeinflussen. Entweder hat das Relais einen Kontakt oder nicht.

Elektronische Schalter mit Halbleitern, nämlich MOSFETs, ermöglichen es uns, mit sogenannten Zeitkonstanten zu arbeiten. Mit ihnen können wir den Schalter in Mikrosekunden öffnen (Audio stumm schalten), aber in Millisekunden schließen (Audio wiederherstellen). Diese asymmetrische Wellenform ist der Schlüssel zur Vermeidung akustischer Stöße.

Schaltungsarchitektur und Eliminierung parasitärer Dioden

Grundlage der vorgestellten Verbindung sind zwei N-Kanal-MOSFET-Transistoren vom Typ 2N7000 (gekennzeichnet mit Q1 und Q2). Diese Transistoren sind eine ausgezeichnete Wahl für die analoge Schaltung, da sie einen niedrigen Einschaltwiderstand haben und ein Signal unabhängig von seiner Polarität in beide Richtungen leiten können, was für ein AC-Audiosignal unerlässlich ist.

Beim Entwurf eines Halbleiter-Audioschalters müssen wir jedoch einen integralen Bestandteil der Struktur jedes MOSFETs berücksichtigen – die sogenannte parasitäre Diode (Body-Diode). Diese Diode ist zwischen dem Substrat und dem Drain angeschlossen. Wenn wir nur einen Transistor verwenden würden, würde diese Diode beginnen, elektrischen Strom zu leiten, sobald die Amplitude des Audiosignals seine Schwellenspannung (ca. 0,6 V) überschreitet. Dies würde bedeuten, dass selbst wenn der Schalter ausgeschaltet sein sollte, die Spitzen des lauteren Signals durch ihn hindurchgehen würden, was zu Verzerrungen und einer unvollständigen Stummschaltung führen würde.

Die Lösung, die auch diese Schaltung verwendet, ist die Reihenschaltung zweier MOSFETs Rücken an Rücken. In einer solchen Konfiguration sind ihre parasitären Dioden in die entgegengesetzte Richtung geschaltet. Unabhängig von der Polarität des Audiosignals befindet sich eine der Dioden immer in der Schließrichtung und blockiert so effektiv den Durchgang des Signals im inaktiven Zustand.

Funktionsprinzip und Zeitkonstanten

Das Herzstück des Steuerteils ist der Widerstand R1 (100 kΩ), der Kondensator C1 (3,3 µF) und die Diode D1 (1N4148). Der gesamte Vorgang wird durch das RX_5V-Signal gesteuert, das beim Empfang auf 5 V und beim Senden auf Masseniveau (GND) liegt.

Empfangsmodus (RX) – Sanfter Hochlauf

Wenn das Gerät in den Empfangsmodus wechselt, wird am Steuerpin RX_5V eine Spannung von 5 V angelegt. Der Kondensator C1 beginnt mit dem Laden über den Widerstand R1. Typisch für den 2N7000-Transistor ist, dass er zu öffnen beginnt, wenn die Spannung an seinem Gate etwa 2 V gegenüber dem Emitter (Source) erreicht.

Die Zeit, in der die Spannung an C1 diese Grenze erreicht, kann nach der Formel zum Laden des RC-Gliedes berechnet werden. In diesem speziellen Fall dauert es etwa 168 Millisekunden, bis die Spannung 2 V erreicht und die Transistoren vollständig eingeschaltet sind. Durch diese relativ lange Zeit wird sichergestellt, dass der Ton nicht sofort in voller Stärke erscheint, sondern reibungslos „herauskommt“ und etwaige Knackgeräusche nach dem Ende der Übertragung vermieden werden.

Sendemodus (TX) – sofortige Stummschaltung

Beim Übergang in den Sendemodus ändert sich die Spannung am RX_5V-Pin auf 0 V. In dieser Situation leuchtet die Diode D1. Dadurch kann sich der Kondensator C1 unter Umgehung des hochohmigen Widerstands R1 fast sofort zur Erde entladen. Die Gate-Spannungen von Q1 und Q2 fallen im Bruchteil einer Millisekunde unter den Schwellenwert und schalten den Empfänger stumm, bevor ein Transient vom Sender wirksam werden kann.

Dämpfungsanalyse und Impedanzanpassung eines Audioschalters

Aus Sicht der Übertragungsqualität ist es wichtig, dass der Audioschalter das Signal im aktiven Zustand nicht beeinflusst und es im inaktiven Zustand perfekt isoliert.

Im eingeschalteten Zustand haben 2N7000-Transistoren einen Gesamtwiderstand in der Einheit Ohm. Bei einer typischen Impedanz des Audiopfads (z. B. 10 kΩ) beträgt die Einfügungsdämpfung dieses Schalters etwa -0,02 dB, was aus Sicht des menschlichen Gehörs und von Messgeräten ein absolut vernachlässigbarer Wert ist. Der Widerstand R2 (10 kΩ) dient dazu, die Source-Transistoren auf Masseniveau zu halten und definiert so den Arbeitspunkt des Gates. Sein Wert ist jedoch hoch genug, um das Audiosignal nicht zu überlasten.

Im ausgeschalteten Zustand (AUS) macht sich die parasitäre Kapazität der Transistoren bemerkbar. Bei einer Frequenz von 1 kHz erreicht die Schaltungsisolation hervorragende -80 dB. Bei hohen Audiofrequenzen um 20 kHz sinkt die Isolation leicht auf etwa -45 dB, was immer noch deutlich unter dem Wert liegt, der im Normalbetrieb störend wäre.

Abschluss

Der vorgestellte MOSFET-Audioschalter ist eine elegante, kostengünstige und hocheffiziente Lösung für das uralte Problem der akustischen Knallgeräusche beim RX/TX-Umschalten. Dank der Kombination aus zwei 2N7000-Transistoren und einfacher RC-Steuerung erhalten wir ein Werkzeug, das unsere Ohren und Technik schont. Das ist ein kleines Detail, das aber die Professionalität und den Komfort eines jeden Amateurfunksenders grundlegend steigert. 

Eine weitere Verwendung ist beispielsweise die Umschaltung von Signalen mehrerer Radiosender oder Mikrofoneingängen.