Distorsion från bipolartransistor i highside-brytare

[psynoise]

Introduktion

Har långt tillbaka läst på olika håll att signalbrytare för analoga signaler är svårt att implementera med bipolartransistorer. Det jag har funnit är att kollektoremitterspänningen i bottnat läge är beroende av kollektorströmmen i ett icke linjärt förhållande.

I integrerade kretsar har MOSFETs kopplade antiparallellt varit populärt då n-kanals och p-kanals påresistans (R ON) jämnar ut varandra. Dock används bipolartransistor för högre frekvenser.

Hur som helst är jag intresserad av att implementera en brytare med bipolartransistor i kopplad i serie (high side) för audio signaler. Bipolartransistor har valts för att de är enkla att driva samt borde ha större dynamik mellan av och på jämfört med MOSFET.

Målet är att få till något med SOT23-kapsel eller liknande. Highside-brytaren är tänkt senare kompletteras med en lowside-brytare för att få till riktigt stor dämpning, önskat större än -100 dB.

Analys med Ltspice

ltspice_schema-160709.png

Figur 1: R_source modellerar sämsta tänkbara källresistans för insignalen. PNP-transistorn har basströmmen 1 mA för att garantera låg kollektoremitterspänning. Strömkällan I_OP_bias modellerar typisk biasström hos en operationsförstärkare med bipolartransistoringång.

ltspice_fft-160709.png

Figur 2: Inga frekvenskomponenter förutom signalen på 1 kHz syns över simuleringens brusgolv runt -170 dB.

Frågeställning

Med det goda simuleringsresultat blir jag osäker på vad som kan ha missats. Tyvärr har jag ingen utrustning hemma för att mäta på dessa låga nivåer i verkligheten. Men vad kan jag ha missat som kan bidra till distorsion som inte syns i simuleringen?

[lillahuset]

Det här är inte ett svar på din fråga, men, förr använde man ofta vanliga switchdioder (~1N4148) för att switcha audiosignaler.

Om man lägger på en likspänning i ledningsriktningen leder dioden likspänningen plus "ripplet" som utgör audiosignalen.
Om man lägger på en likspänning i backriktningen leder inte dioden om audiosignalen inte är större än likspänningen plus framspänningsfallet.

Det är möjligt att det är enklare/bättre att använda bipolära transistorer men jag har aldrig sett den lösningen tidigare.

[psynoise]

Kom på att efterföljande operationsförstärkare kan ha relativt låg ingångsresistans. Operationsförstärkaren NE5532 har specificerat 30 kOhm som minsta ingångsresistans. Ännu värre kan det tänkas bli om en summeringskoppling ansluts efter med så låg ingångsresistans som 1 kOhm.

ltspice_schema-160709-ingångsresistans.png

Figure 3: R_OP modellerar ingångsresistans hos efter kommande steg.

ltspice_fft-160709-ingångsresistans.png

Figure 4: Blå kurva är med 30 kOhm ingångsresistans hos efterföljande steg. Röd kurva är med 1 kOhm och förskjuten -3 dB tack vare spänningsdelningen som sker mot källresistansen.

De första övertonerna ger enkelt beräknat THD runt -37 dB enligt nedan.

Kod: Markera allt

f_2k = -75 dB
f_3k = -85 dB
f_4k = -95 dB
f_5k = -105 dB
f_6k = -120 dB

THD = 10*log10(sqrt((10^(-75/20))^2 + (10^(-85/20))^2 + (10^(-95/20))^2 + (10^(-105/20))^2 + (10^(-120/20))^2))

EDIT:

Förhoppningsvis kan jag växelspänningskoppla mot efterföljande steg och då minska kollektorströmmen vilket borde ge lägre distorsion vid små signaler med tanke på kollektoremitterspänningen. Hur det blir vid stort spänningssving låter jag vara osagt.

[psynoise]

Det här är inte ett svar på din fråga, men, förr använde man ofta vanliga switchdioder (~1N4148) för att switcha audiosignaler.

Om man lägger på en likspänning i ledningsriktningen leder dioden likspänningen plus "ripplet" som utgör audiosignalen.
Om man lägger på en likspänning i backriktningen leder inte dioden om audiosignalen inte är större än likspänningen plus framspänningsfallet.

Det är möjligt att det är enklare/bättre att använda bipolära transistorer men jag har aldrig sett den lösningen tidigare.

Tack för tipset. Vanliga dioder har jag faktiskt aldrig tänkt på. Vidare tror jag diskret JFET är vanligt men är lite krångligare att driva samt har inte så bra påresistans om jag minns rätt. Sedan är också integrerade kretsar vanligt där det finns en uppsjö allt efter budget.

[Rolf Zetterberg]

Det fanns väl någon miljon komradio på 70-talet som använde sig av en vanlig transistor switchad på det där sättet som brusspärr.Senare blev det vanligare med FET.
Jag har nog testat flertalet av dem med varierande resultat.

Dioderna gick man ifrån ganska tidigt.En av de senare som hade dioder är SRA600.

[xxargs]

man får tänka på att bipolära trasistorer arbetar bäst med ström som signalbärare - inte spänning. Har man arbetat med spänningsamplitud som informationsbärare sedan skolbänken så kan det vara väldig besvärlig att lägga om hjärnan att börja tänka i ström som informationsbärare... - men samtidigt med strybara strömgeneratorer så dyker nya möjligheter upp i signalbehandlingen som är närmast omöjliga när man betraktar med spänningsamplitud som signalbärare - som tex. strömstyrd förstärkning är plötsligt inom räckhåll

Titta på hur transistorerade multiplikatorer (aka gilbert-cell) fungerar, OTA-OP-ampar etc. och sådana kopplingar kan ha över 70 dB dynamik

att använda 4 dioder i en brygga (där kontrollströmmen som öppnar och stänger är styrd av en styv strömgenerator med mycket hög inre resistans) har använts klassiskt i Sampel and Hold-kretsar innan ingång till AD-omvandlare - och används nog än idag i vissa sammanhang men mycket mer optimerad.