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Nella pratica radioamatoriale, spesso incontriamo la necessità di una gestione efficace del percorso audio, soprattutto durante la transizione tra ricezione (RX) e trasmissione (TX). Uno degli effetti collaterali più fastidiosi quando si manipola l'audio in tempo reale sono i transitori indesiderati, che appaiono nelle cuffie o nell'altoparlante come uno sgradevole pop, "pop". Possono anche rappresentare un pericolo per l'udito dell'operatore.
La soluzione a questo problema è un interruttore audio elettronico con costanti di tempo definite, che garantirà l'immediata disconnessione del segnale durante la trasmissione e la sua connessione graduale e fluida al ritorno alla ricezione. Nel seguente articolo discuteremo in dettaglio la connessione tramite transistor MOSFET economici, progettati per questo scopo.
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Perché scegliere MOSFET invece del relè?
Il modo tradizionale di commutare l'audio nelle apparecchiature radioamatoriali era un relè meccanico. Sebbene il relè fornisca un eccellente isolamento nello stato aperto e una resistenza quasi nulla nello stato chiuso, presenta diversi importanti inconvenienti. Il primo è l'usura meccanica e la velocità di commutazione limitata. Il secondo, e più critico per l'audio, è l'incapacità di influenzare i bordi iniziale e finale del segnale commutato. Il relè o ha un contatto oppure no.
Gli interruttori elettronici con semiconduttori, ovvero i MOSFET, ci consentono di lavorare con le cosiddette costanti di tempo. Con loro, possiamo aprire l'interruttore (disattivare l'audio) in microsecondi, ma chiuderlo (ripristinare l'audio) in millisecondi. Questa forma d'onda asimmetrica è la chiave per eliminare gli shock acustici.
Architettura circuitale ed eliminazione dei diodi parassiti
La base della connessione presentata sono due transistor MOSFET a canale N del tipo 2N7000 (contrassegnati come Q1 e Q2). Questi transistor sono una scelta eccellente per la commutazione analogica perché hanno una bassa resistenza in conduzione e possono condurre un segnale in entrambe le direzioni indipendentemente dalla sua polarità, che è essenziale per un segnale audio CA.
Tuttavia, quando si progetta un interruttore audio a semiconduttore, è necessario tenere conto della parte integrante della struttura di ciascun MOSFET, il cosiddetto diodo parassita (body diode). Questo diodo è collegato tra il substrato e lo scarico. Se utilizzassimo un solo transistor, questo diodo inizierebbe a condurre una corrente elettrica nel momento in cui l'ampiezza del segnale audio supera la sua tensione di soglia (circa 0,6 V). Ciò significherebbe che anche quando l'interruttore dovrebbe essere spento, i picchi del segnale più forte lo attraverserebbero, causando distorsioni e muting imperfetti.
La soluzione adottata anche da questo circuito è il collegamento di due MOSFET in serie, back-to-back. In tale configurazione, i loro diodi parassiti sono collegati nella direzione opposta. Indipendentemente dalla polarità del segnale audio, uno dei diodi sarà sempre nella direzione di chiusura, bloccando di fatto il passaggio del segnale nello stato inattivo.
Principio di funzionamento e costanti di tempo
Il cuore della parte di controllo è il resistore R1 (100 kΩ), il condensatore C1 (3,3 µF) e il diodo D1 (1N4148). L'intero processo è controllato dal segnale RX_5V, che è a 5 V in ricezione e a livello del suolo (GND) in trasmissione.
Modalità di ricezione (RX): accelerazione graduale
Quando il dispositivo passa alla modalità di ricezione, al pin di controllo RX_5V viene applicata una tensione di 5 V. Il condensatore C1 inizia a caricarsi attraverso il resistore R1. È tipico del transistor 2N7000 iniziare ad aprirsi quando la tensione sul suo gate raggiunge circa 2 V rispetto all'emettitore (sorgente).
Il tempo durante il quale la tensione su C1 raggiunge questo limite può essere calcolato secondo la formula per caricare l'elemento RC. In questo caso particolare, sono necessari circa 168 millisecondi affinché la tensione raggiunga i 2 V e i transistor si accendano completamente. Questo tempo relativamente lungo garantirà che l'audio non appaia immediatamente alla massima potenza, ma "emerga" dolcemente, eliminando eventuali pop al termine della trasmissione.
Modalità di trasmissione (TX): silenziamento istantaneo
Al momento del passaggio alla modalità di trasmissione, la tensione sul pin RX_5V passa a 0 V. In questa situazione, il diodo D1 si accende. Ciò consentirà al condensatore C1 di scaricarsi quasi immediatamente a terra, bypassando il resistore ad alta resistenza R1. Le tensioni di gate di Q1 e Q2 scendono al di sotto della soglia in una frazione di millisecondo, silenziando il ricevitore prima che qualsiasi transitorio proveniente dal trasmettitore possa avere effetto.
Analisi dell'attenuazione e adattamento dell'impedenza di un interruttore audio
Dal punto di vista della qualità della trasmissione, è importante che lo switch audio non influenzi il segnale nello stato attivo e lo isoli perfettamente nello stato inattivo.
Nello stato acceso, i transistor 2N7000 hanno una resistenza totale in unità di ohm. Con un'impedenza tipica del percorso audio (ad esempio 10 kΩ), la perdita di inserzione di questo interruttore è di circa -0,02 dB, che è un valore assolutamente trascurabile dal punto di vista dell'udito umano e degli strumenti di misura. Il resistore R2 (10 kΩ) serve a mantenere i transistor della sorgente a livello di massa, definendo così il punto di funzionamento del gate, ma il suo valore è sufficientemente alto da non sovraccaricare il segnale audio.
Nello stato disconnesso (OFF) si manifesta la capacità parassita dei transistor. Alla frequenza di 1 kHz l'isolamento del circuito raggiunge un ottimo -80 dB. Alle frequenze audio elevate intorno a 20kHz, l'isolamento scende leggermente a circa -45dB, che è ancora ben al di sotto del livello che potrebbe disturbare durante il normale funzionamento.
Conclusione
Lo switch audio MOSFET presentato è una soluzione elegante, economica ed altamente efficiente all'annoso problema dei boom acustici nella commutazione RX/TX. Grazie alla combinazione di due transistor 2N7000 e un semplice controllo RC, otteniamo uno strumento che protegge le nostre orecchie e la tecnologia. Questo è un piccolo dettaglio, ma fondamentalmente aumenta la professionalità e il comfort di ogni emittente radioamatoriale.
Un altro utilizzo è, ad esempio, quando si commutano i segnali di più stazioni radio o gli ingressi del microfono.
