Przełącznik audio MOSFET

W praktyce radioamatorskiej często spotykamy się z koniecznością efektywnego zarządzania ścieżką audio, szczególnie przy przejściu pomiędzy odbiorem (RX) a transmisją (TX). Jednym z najbardziej irytujących efektów ubocznych manipulacji dźwiękiem w czasie rzeczywistym są niepożądane transjenty, które pojawiają się w słuchawkach lub głośnikach jako nieprzyjemny trzask, „pop”. Mogą również stanowić zagrożenie dla słuchu operatora.

Rozwiązaniem tego problemu jest elektroniczny wyłącznik audio o zdefiniowanych stałych czasowych, który zapewni natychmiastowe rozłączenie sygnału w trakcie transmisji i jego stopniowe, płynne połączenie po powrocie do odbioru. W poniższym artykule szczegółowo omówimy połączenie za pomocą niedrogich tranzystorów MOSFET, które są przeznaczone do tego celu.

Dlaczego warto wybrać MOSFET zamiast przekaźnika?

Tradycyjnym sposobem przełączania dźwięku w amatorskim sprzęcie radiowym był przekaźnik mechaniczny. Chociaż przekaźnik zapewnia doskonałą izolację w stanie otwartym i prawie zerową rezystancję w stanie zamkniętym, ma kilka poważnych wad. Pierwszym z nich jest zużycie mechaniczne i ograniczona prędkość przełączania. Drugim, bardziej krytycznym dla dźwięku, jest brak możliwości wpływania na zbocza narastające i tylne przełączanego sygnału. Przekaźnik albo ma styk, albo nie.

Przełączniki elektroniczne z półprzewodnikami, czyli MOSFET, pozwalają nam pracować z tzw. stałymi czasowymi. Dzięki nim możemy otworzyć przełącznik (wyciszyć dźwięk) w ciągu mikrosekund, ale zamknąć (przywrócić dźwięk) w milisekundach. Ten asymetryczny kształt fali jest kluczem do wyeliminowania wstrząsów akustycznych.

Architektura obwodów i eliminacja diod pasożytniczych

Podstawą prezentowanego połączenia są dwa N-kanałowe tranzystory MOSFET typu 2N7000 (oznaczone jako Q1 i Q2). Tranzystory te stanowią doskonały wybór do przełączania analogowego, ponieważ mają niską rezystancję włączenia i mogą przewodzić sygnał w obu kierunkach, niezależnie od jego polaryzacji, co jest istotne w przypadku sygnału audio AC.

Jednak projektując półprzewodnikowy przełącznik audio, musimy wziąć pod uwagę integralną część budowy każdego MOSFET-u - tzw. diodę pasożytniczą (diodę korpusu). Dioda ta jest włączona pomiędzy podłożem a drenem. Gdybyśmy zastosowali tylko jeden tranzystor, dioda ta zaczęłaby przewodzić prąd elektryczny w momencie, gdy amplituda sygnału audio przekroczyłaby napięcie progowe (około 0,6 V). Oznaczałoby to, że nawet gdy przełącznik powinien być wyłączony, szczyty głośniejszego sygnału będą przez niego przechodzić, powodując zniekształcenia i niedoskonałe wyciszenie.

Rozwiązaniem, które wykorzystuje również ten obwód, jest połączenie dwóch tranzystorów MOSFET szeregowo, back-to-back. W takiej konfiguracji ich pasożytnicze diody są połączone w przeciwnym kierunku. Niezależnie od polaryzacji sygnału audio, jedna z diod będzie zawsze skierowana w stronę zamykania, skutecznie blokując przejście sygnału w stanie nieaktywnym.

Zasada działania i stałe czasowe

Sercem części sterującej jest rezystor R1 (100 kΩ), kondensator C1 (3,3 µF) i dioda D1 (1N4148). Cały proces jest sterowany sygnałem RX_5V, który podczas odbioru ma napięcie 5 V, a podczas transmisji znajduje się na poziomie masy (GND).

Tryb odbioru (RX) – Płynne przyspieszanie

Gdy urządzenie przełącza się w tryb odbioru, na pin sterujący RX_5V przykładane jest napięcie 5 V. Kondensator C1 rozpoczyna ładowanie poprzez rezystor R1. Charakterystyczne dla tranzystora 2N7000 jest to, że zaczyna się on otwierać, gdy napięcie na jego bramce osiągnie około 2 V względem emitera (źródła).

Czas, w którym napięcie na C1 osiąga tę granicę, można obliczyć zgodnie ze wzorem na ładowanie elementu RC. W tym konkretnym przypadku osiągnięcie napięcia 2 V i pełne włączenie tranzystorów zajmuje około 168 milisekund. Ten stosunkowo długi czas sprawi, że dźwięk nie pojawi się od razu z pełną mocą, ale płynnie „wyjdzie”, eliminując wszelkie trzaski po zakończeniu transmisji.

Tryb transmisji (TX) - Natychmiastowe wyciszenie

W momencie przejścia w tryb nadawania napięcie na pinie RX_5V zmienia się na 0 V. W tej sytuacji zapala się dioda D1. Umożliwi to niemal natychmiastowe rozładowanie kondensatora C1 do masy, z pominięciem rezystora R1 o wysokiej rezystancji. Napięcia bramki Q1 i Q2 spadają poniżej progu w ułamku milisekundy, wyciszając odbiornik, zanim zacznie obowiązywać jakikolwiek stan przejściowy z nadajnika.

Analiza tłumienia i dopasowanie impedancji przełącznika audio

Z punktu widzenia jakości transmisji ważne jest, aby przełącznik audio nie wpływał na sygnał w stanie aktywnym, a doskonale izolował go w stanie nieaktywnym.

W stanie włączonym tranzystory 2N7000 mają całkowitą rezystancję wyrażoną w omach. Przy typowej impedancji toru audio (np. 10 kΩ) tłumienność wtrąceniowa tego przełącznika wynosi około -0,02 dB, co jest wartością absolutnie pomijalną z punktu widzenia ludzkiego słuchu i przyrządów pomiarowych. Rezystor R2 (10 kΩ) służy do utrzymywania tranzystorów źródłowych na poziomie masy, określając w ten sposób punkt pracy bramki, ale jego wartość jest na tyle duża, aby nie przeciążać sygnału audio.

W stanie rozłączonym (OFF) objawia się pasożytnicza pojemność tranzystorów. Przy częstotliwości 1 kHz izolacja obwodu osiąga doskonałe -80 dB. Przy wysokich częstotliwościach audio, około 20 kHz, izolacja spada nieznacznie do około -45 dB, czyli nadal znacznie poniżej poziomu, który zakłócałby normalne działanie.

Wniosek

Prezentowany przełącznik audio MOSFET to eleganckie, niedrogie i wysoce wydajne rozwiązanie odwiecznego problemu boomów akustycznych w przełączaniu RX/TX. Dzięki połączeniu dwóch tranzystorów 2N7000 i prostemu sterowaniu RC otrzymujemy narzędzie chroniące nasze uszy i technologię. To drobny szczegół, ale zasadniczo podnosi profesjonalizm i komfort pracy każdej amatorskiej stacji radiowej. 

Innym zastosowaniem jest np. przełączanie sygnałów z kilku stacji radiowych lub wejść mikrofonowych.