Эксперименты с переключателями.

В статье о входных полосовых фильтрах я писал, что есть проблема с выбором типа переключателей диапазонов. Есть много вариантов, но какой выбрать? И я решил проверить, как работают разные переключатели. Для эксперимента я взял: реле РЭС49, различные диоды и интегральные ключи FST3125. Очень мне хотелось испытать переключатели SN74LVC1G3157, но очень они уж маленькие :). Я заказал переходники, но когда теперь они придут .....

Для упрощения я решил переключать не полосовой фильтр,а обмотку ВЧ-трансформатора 1:1. Это позволит отследить АЧХ всех переключателей в диапазоне 1 - 30 МГц. В качестве измерителя использовал NanoVNA с программой NanoSaver.

Для сердечника трансформатора я использовал зеленое колечко (такие используются в энергосберегающих лампах и много где еще) 10х6х5 мм. Обмотку намотал двумя скрученными проводами ПЭВ 0,33 (2 скрутки на см), количество витков - 10.

Рис. 1. Внешний вид трансформатора.

Вот АЧХ этого трансформатора:

Рис. 2. АЧХ трансформатора. Маркеры: 7,0, 14,0 и 18,100 МГц

Начнем с реле. В 90-х на Царицынском радиорынке я купил вот такую упаковочку :) :

Рис. 3. Коробочка с реле.

А в коробочке ....

Рис. 4. Реле РЭС 49

Срабатывают они от 12 В, а схема включения для эксперимента такова:

Рис. 5.

Реле имеет переключающую группу контактов и, когда реле обесточено, первичная обмотка трансформатор замкнута на землю. При подаче напряжения на обмотку контакт переключается и обмотка подключается к выходу S11 прибора.

Рис. 6. АЧХ при включенном и выключенном реле.

На рис. 6 видно, что при выключенном реле затухание больше -60 Дб, а при включенном реле АЧХ практически идентичен рис. 2, т.е. потерь контакты реле не вносят.

Затем я подключил вместо контактов реле один элемент микросхемы FST3125, которая содержит 4 ключа.

Рис. 7. Блок-схема микросхемы FST3125.

Вот схема включения.

Рис. 8. Схема включения ключа FST3125.

На вход ключа (вывод 2) подано смещение равное 1/2 Uпит, это необходимо для того, чтобы не возникали искажения сигнала. Если предполагается использовать данный ключ для цифровых сигналов, имеющих логические уровни, то смещение не обязательно. Для управления ключем на затвор транзистора подается сигнал с инвертора. Таким образом, для открывания ключа на выводе 1 должен присутствовать низкий логический уровень, а для его закрывания - высокий.

Вот что получилось при работе ключа.

Рис. 9. АЧХ при выключенном ключе.

Да, ключик-то хорошо закрывает только сигналы с относительно низкой частотой (до 10 МГц). С реле не сравнить. А теперь откроем ключик.

Рис. 10. АЧХ открытого ключа.

Кривая идет также, как и на рис. 2, но на 3 Дб ниже, т.е. эти 3 Дб - потери сигнала в ключе. И если для относительно низкочастотных колебаний разница между включенным и выключенным состоянием составляет более 40 дБ, то на 10-ти метровом диапазоне не дотягивает и да 20 Дб.

Ну и, наконец, дошло дело для диодов. С диодной коммутацией диапазонов я в 80-х познакомился в схема легендарного трансивера Радио - 77.

Рис. 11. Схема коммутации диапазонных фильтров трансивера Радио - 77.

Этот тип коммутации широко применялся и применяется в зарубежных трансиверах, в том числе и высокого класса.

Рис. 12. Схема полосовых фильтров трансивера Kenwood TS-2000.

Я для эксперимента собрал такую схему:

Рис. 13. Схема для изучения переключающих свойств диода.

Напомню, как это работает. В положении переключателя, показанном на рисунке, положительное напряжение источника питания через резистор R1 подается на анод диода VD1, катод которого через обмотку Tr1 и резистор R3 соединен с общим проводом. В результате этого диод открывается, через него течет ток, величина которого равна
I = Uпит/(R1+R3). Через открытый диод, который имеет сопротивление несколько Ом или даже десятые доли Ома, проходит высокочастотный сигнал, подаваемый через С1. Затем этот сигнал через обмотку Tr1 и С2 уходит на общий провод. Так как сопротивление R1>>R2, то R2 в этом случае не играет никакой роли.

Если перевести переключатель в положение Откл, то напряжение питания подается на делитель R3, R4, а с его средней точки - через обмотку Tr1 подается на катод VD1, анод которого заземлен в этом случае через резистор R2. Так как в этом случае потенциал катода диода выше, чем потенциал анода, то диод закрывается и его сопротивление становиться порядка сотни килоОм или более. Сигна ВЧ при этом не будет проходить через диод. Но он все-таки проходит, так как обратно смещенный диод имеет хоть небольшую, но какую-то емкость (единицы пФ).

Диодов есть множество. я начал с наших коммутационных диодов КД409.

Сопротивление открытого диода порядка 1 Ом, а емкость - не более 1,5 пФ.

Рис. 14. АЧХ переключателя на КД409 в положении Выключено

Затухание в выключенном состоянии при использовании КД409 оказалось почти на 10 Дб (на частотах выше 10 МГц) лучше, чем при использовании FST3125 .

Рис. 15. АЧХ переключателя на КД409 в положении Включено.

Затухание в открытом состоянии примерно на 2 дБ меньше, чем и у FST3125.

Я решил выяснить, а как изменятся переключательные свойства при включении двух диодов последовательно.

Рис. 16. АЧХ переключателя на двух последовательно включенных КД409 в положении Выключено

По сравнению с одним диодом затухание в положении выключено увеличилось на 10 дБ, и теперь до частоты 21 МГц затухание не менее 40 дБ (на частоте 3,5 МГц - около 60 дБ), что приближается к показаниям реле.

Рис. 17. АЧХ переключателя на двух последовательно включенных КД409 в положении Включено

А вот потери в открытом состоянии у двух диодов оказались оказались практически такие же, как и у одного.

Вместо КД409 установил КД503Б, который использовался в Радио - 77.

Рис. 18. АЧХ переключателя на КД503Б в положении Выключено

Как ни странно, затухание в закрытом состоянии (Выключено) у одного диода КД503Б больше, чем у двух последовательно соединенных КД409. Это можно объяснить тем, что емкость КД503 при обратном напряжении 0 В, такое же, как у КД409 при обратном напряжении 15 В. У меня обратное напряжение было меньше, поэтому, видимо, КД409 был не полностью закрыт.

Рис. 19. АЧХ переключателя на КД503Б в положении Включено

А вот потери в открытом состоянии немного больше чем у двух диодов КД409.

Теперь посмотрим, как поведет себя диод КД522.

Рис. 20. АЧХ переключателя на КД522Б в положении Выключено

У этого диода затухание в закрытом состоянии почти на 10 дБ меньше, чем у КД503Б, хотя емкость у них примерно одинаковая.

Рис. 21. АЧХ переключателя на КД522Б в положении Включено

В открытом состоянии потери такие же как у КД522.

Следующим я испытал импортный 1N4148.

Рис. 22. АЧХ переключателя на 1N4148 в положении Выключено

В закрытом состоянии - на уровне КД522.

Рис. 23. АЧХ переключателя на 1N4148 в положении Включено

Потери в открытом состоянии тоже на уровне КД522.

Ну и как не попробовать знаменитый 1N4007?

Рис. 24. АЧХ переключателя на 1N4007 в положении Выключено

Ну что требовать от выпрямительного диода! Однако и его можно использовать в переключателе 1,8/3,5 МГц.

Рис. 25. АЧХ переключателя на 1N4007 в положении Включено

А вот потери в открытом состоянии не больше, чем у других.

Какой же вывод можно сделать? Наихудший результат показал ключ из микросхемы FST3125. Лучше переключатель на диодах с малой обратной емкостью. Ну а лучше реле могут быть только .... герконовые реле :). Мне один из читателей подсказал вот такие:

На 10 диапазонов получится около 800 руб.

Ой-ой, опоздал :(! Они уже по 500 руб за 5 шт. А наши РЭС49 в Дипе по 74 р/шт, но на 27 В.

Всем здоровья и успехов!