Der analoge Schalter III (mit bipolaren Transistoren)

Einleitung

Bild 1 zeigt worum es geht. Es gibt schon sehr lange den Elektronik-Minikurs Der analoge Schalter I (der JFET). Da wird der JFET als elektronischer Schalter analoger Wechselspannungen (AC-Spannungen) thematisiert. Teilbild 1.1 zeigt als Prinzpschaltung ein Beispiel mit zwei Opamps. Teilbild 1.2 deutet an, worum es hier geht. Es ist möglich, wenn niedrige Betriebsspannungen genügen, dass man für den selben Zweck auch einen bipolaren Transistor (BJT [bipolar-junction-transistor]) anstelle eines JFET (junction-fet) einsetzen kann. Wie das funktioniert und worauf man achten muss, erklärt dieser Elektronik-Minikurs. Der Einsatz eines BJT hat den Vorteil, dass man eine grosse Auswahl hat die sich eignen, was bei JFETs nicht zutrifft. Vollständigkeitshalber sei noch erwähnt, dass es auch noch den Elektronik-Minikurs Der analoge Schalter II gibt. Dabei wird Wissenswertes von integrierten elektronischen Analogschaltern vermittelt.

Wie es überhaupt zu der Idee kam einen BJT anstelle eines JFET einzusetzen, liest man weiter unten im Unterkapitel "Einsatz in Synchrongleichrichter".

Die beiden Opamps IC:A und IC:B weisen nur auf etwas hin. Diese Schaltungen müssen in dieser Art nicht sein. Die Verstärkerschaltung mit IC:A (es darf auch ein Impedanzwandler sein wie mit IC:B) weist darauf hin, dass es vorteilhaft ist mit einer niederohmigen Quelle zu arbeiten. Wobei zwingend ist es nicht, wenn der Quellwiderstand vor IC:A deutlich niederohmiger ist als R3. Die Impedanzwandlerschaltung mit IC:B (oder eine alternative Schaltung) empfiehlt sich auf jeden Fall, damit R3 möglichst hochohmig belastet wird. Auf diese Weise arbeitet die Schaltung R3 mit T verlustfrei.

Der bipolare Trasistor (BJT) als Schalter analoger Spannungen

Verzerrungsfrei schalten

Als Testsignal verwenden wir eine symmetrische Dreieckspannung von 10 Vpp. Es empfiehlt sich, beim Experimentieren (oder Simulieren), eine Dreieck- der Sinusspannung vorzuziehen, weil man mit dem Dreieckspitz besonders leicht den Beginn einer Amplitudenbegrenzung mit einem Oszilloskopen beobachten kann. Wenn man keinen Funktionsgenerator besitzt, kann man in Dreieckgenerator mit Operationsverstärker lernen, wie man einen einfachen und aufwändigen Dreieckgenerator selbst bauen kann.

Teilbild 2.1 zeigt Transistor T (BJT) mit offener Basis. T hat dabei keinen Einfluss auf die Signalübertragung von Ue nach Ua, weil die Kollektor-Emitter-Sperrspannung Uce z.B. eines BC550C 45 V beträgt, wenn Ua positiv ist. Ist Ua negativ, dann könnte gemäss Datenblatt gerade noch -5 V von Ue nach Ua verzerrungsfrei übertragen werden, weil die maximale Emitter-Basis-Sperrspannung Ueb, wie bei sehr vielen Transistoren, mit 5 V angeben ist. Verwendet man den BC547C anstelle des BC550C sind es 6 V. In der Regel misst man allerdings einen höheren Wert, so etwa um die 8 V. Genau genommen gilt Uec, die etwas höher ist, weil zu Ueb auch noch Ubc, die Basis-Kollektor-Diode, (0.7 V) addiert werden muss. Die offene Basis gilt prinzipiell als "unsauber". Es kann Probleme geben, wenn in der Nähe der Basis Störspannungen mit höheren Frequenzen oder auch niederfrequente Rechteckspannungen mit steilen Schaltflanken wirken. Dazu kommt, dass man mit einer offenen Basis nichts schalten kann und genau das will man schliesslich.

Ein BJT sperrt zwischen Kollektor und Emitter, wenn die Basis Emitterpotential aufweist. Wie das in Teilbild 2.1 zutrifft zeigt sich. Ist Ue positiv, ist die Kollektor-Emitter-Strecke offen, wegen der ausreichend hohen maximalen offenen Kollektor-Emitter-Spannung. Mit der negativen Spannung an Ue gibt es oberhalb etwa -0.7 V ein Problem. Das kommt davon, dass von GND durch die Basis-Kollektor-Diode ein Strom über R1 nach Ue fliesst. Die Folge davon ist, dass an Ua die negative Spannung auf etwa -0.7 V (Ubc) begrenzt wird.

Mit der negativen Vorspannung geht es.

Um diese negative Spannungsbegrenzung zu vermeiden, muss man die Basis von T negativ vorspannen. Teilbild 3.1 zeigt es am Beispiel mit -Ub (-5 VDC). Diese -5 VDC ist in der Regel die maximal zulässige Ueb-Spannung, wie bereits weiter oben beschrieben, gemäss Datenblatt. Selbst wenn -Ub doppelt oder dreimal so hoch ist, passieren kann nichts wegen der strombegrenzenden Wirkung von R3 im unteren 100µA-Bereich. Ueb stabilisiert sich dabei auf einen bestimmten Wert, meist etwas mehr als die Ueb-Wertangabe im Datenblatt.

Ist der Schalter in Stellung AUS, und Ue hat gerade die maximale negative Spannung von -5 V, dann kann zwischen Emitter (GND) und Basis kein Strom fliessen, weil die Basis über R2 und R3 die selbe Spannung von -5 VDC hat. So ist es auch nicht möglich, dass ein Strom fliesst zwischen Basis und Kollektor. Daraus resultiert, dass die (Dreieck-)Spannung 10 Vpp von Ua nach Ue verzerrungsfrei übertragen wird, wie dies Teilbild 2.1 illustriert. Es ist elektronisch auch exakt der selbe Zustand mit der offenen Basis. Die negative Vorspannung -Ub braucht es nur, weil man schalten will.

Teilbild 3.2: Wenn man mit einer symmetrischen Logikspannung an Us (s = schalten) ein- und ausschalten will, kann man auf R3 nach -Ub verzichten, weil die negative Vorspannung mit -5 VDC an Us erzeugt wird.

Wenn man den Basisstrom Ib von 0.1 auf 1 mA, um einen Faktor 10, erhöht, reduziert sich die restliche Ausgangsspannung von etwa 20 mVpp auf 10 mVpp, nur um etwa einen Faktor 2. Dies kommt davon, dass der Transistor in seiner Schaltfunktion in beiden Situationen im Sättigungsbereich betrieben wird.

Welche bipolaren NPN-Transistoren (BJT) eignen sich? Für viele Kleinsignalanwendungen, wie auch hier, eignet sich der BC550C oder BC547C. C ist für hohe Stromverstärkung. Ebenso gut eignet sich der alte BC109C, BC140-16 und je nach Fabrikat der BC107B (C-Typ gibt es nicht). Ungeeignet sind 2N2222, 2N708, 2N2219 und der 2N1893. Mehr konnte ich nicht testen. Aber man kann damit rechnen, dass sich noch sehr viele weitere vor allem modernere NPN-Transistoren eignen.

Vergleich zwischen BJT und JFET

Der Vergleich gilt dem Spannungsabfall zwischen Kollektor und Emitter in Teilbild 4.1 und zwischen Drain und Source in Teilbild 4.2, wenn Ua ausgeschaltet ist. Beim Vergleich zwischen dem BC550C (BJT) und dem BF245A (JFET) ist der Unterschied nicht nennenswert, weil dieser durch die Exemplarstreuung überdeckt wird. Beim J113 (JFET) fällt auf, dass die AUS-Spannung etwa halb so gross ist. In beiden Experimenten ist der Steuerstrom an Us mit 0.1 mA gleich gross. Noch einmal erwähnt, in Teilbild 4.1 benötigt die Basis ihren Strom, damit der Transistor T überhaupt in Sättigung geht, schaltet und Ua mit GND kurzschliesst. Das Gate des JFET in Teilbild 4.2 benötigt zum Ausschalten von Ua im Prinzip nur Source-, bzw. GND-Potenzial. Der zusätzliche Drainstrom von ebenfalls 0.1 mA reduziert RDSon und somit die Drain-Source-Spannung UDS signifikant. Nachteilig bei beiden Schaltungen ist eine leichte DC-Offsetspannung an Ua im unteren mV-Bereich, die allerdings bei der Verarbeitung von AC-Spannungen irrelevant ist, weil eine AC-Entkopplung mit einfachen RC-Hochpassfiltern möglich ist. Dieses Thema liest man ausführlich im Elektronik-Minikurs Der analoge Schalter I im Kapitel "Der JFET (BF245A) als Schalter" und hier in Kurzform im Abschnitt "Das DC-Offset-Problem" mit Bild 6.

Wichtig ist noch der Ausgangswiderstand an Ua. Liegt Ua an Ue (eingeschaltet), dann entspricht der Quellwiderstand an Ua dem Wert von R1 (22 k-Ohm). Vorausgesetzt der Quellwiderstand vor Ue ist vernachlässigbar niedrig. Es versteht sich von selbst, dass man Ua nur hochohmig belasten sollte, z.B. mit einem Impedanzwandler diskret oder mit einem Opamp realisiert. Im ausgeschalteten Zustand von Ua, liegt Ua auf GND-Potenzial. Beim BJT ist es auf Grund von Nichtlinearitäten schwierig den sehr niedrigen Ausgangswiderstand zu definieren. Im Fall eines JFET ist es ein definierter Widerstand bis zu einem gewissen maximalen Drainstrom. Dazu gibt es, je nach Produkt und Typ eines JFET ein Diagramm mit der Bezeichnung "On Resistance vs Drain Current". Im J113-Datenblatt trifft dies zu. Durch den zusätzlichen niedrigen Gatestrom von 100 µA liegt RDSon bei etwa 50 Ohm (BF245A) bzw. etwa 25 Ohm (J113).

Ein elektronischer Schalter mit einem BJT oder JFET, der eine AC-Spannung von 10 Vpp im AUS-Zustand auf 20 mVpp bzw. 25 mVpp reduziert, bewirkt eine Dämpfung von etwa 50 dB. Der Einsatz eines J113 verbessert diese Dämpfung um gut weitere 6 dB. Je nach Anwendung ist aber auch dies zuwenig. In einem solchen Fall bietet sich eine Serienschaltung von zwei BJT- oder zwei JFET-Schaltstufen an, wie dies Bild 5 illustriert:

Zu dieser Methode der Serienschaltung zwecks Reduzierung der ausgeschalteten Restspannung an Ua, gibt es für die Beschaltung mit JFETs in Teilbild 5.2 eine alternative Methode, wie dieses Bild zeigt. Will man wissen wie diese Schaltung funktioniert, dann bitte hier weiterlesen. Leider funktioniert diese Methode mit BJTs nicht oder nur mit entsprechend grossem Aufwand.

Der Quellwiderstand an Ua bei den BJT- und JFET-Stufen in Bild 4 betragen gemäss R1 22 k-Ohm. Damit dies hier auch so bleibt ist der selbe Wert von R1 aufgeteilt in R1 und R3 mit je einem Wert von 10 k-Ohm.

Teilbild 5.1: Zwei Stufen der Schaltung von Teilbild 4.1 (bzw. 3.2) sind in Serie geschaltet. Weil R1 und R3 je auf die Hälfte reduziert sind, mussten die Basisströme von T1 und T2 verdoppelt werden. Deshalb sind die Basisvorwiderstände auf die Hälfte reduziert, von 47 k-Ohm auf 22 k-Ohm. Uea ist die Spannung im Zwischenbereich zwischen Ue und Ua. Sie beträgt etwa 20 mVpp. Nach der zweiten Stufe sind es noch etwa 1mV. Dabei zeigt sich eine Nichtlinearität. Beide Stufen sind gleich dimensioniert, jedoch dämpft die erste Stufe um einen Faktor 500 (10 Vpp / 20 mVpp), während sich die zweite mit einem Faktor 20 (20 mV / 1 mV) begnügt. Reduziert man R1 bis R4 auf 1/10, bleiben die Verstärkungsfaktoren unverändert. Die Kollektorströme sind verzehnfacht, jedoch Uea erhöht sich nur noch auf 50% und Ua verdoppelt sich.

Teilbild 5.2: Bei dieser Doppelschaltung ist der JFET die wesentlich bessere Wahl, weil beide Stufen haben die selben Spannungsteiler-Eigenschaften. RDSon von T1 und T2 betragen etwa 50 Ohm (geringe Exemplarstreuung). Der Teilungsfaktor jeder Stufe beträgt 1/200. Daraus folgen für Uea Werte von etwa 50 mVpp und für Ua 0.25 mVpp (1/40'000). Nimmt man anstelle von zwei BF245A zwei J113, liegen an Ua noch 60 µVpp (1/160'000).

Das DC-Offset-Problem: Dieses Problem ist ausführlich beschrieben im Elektronik-Minikurs Der analoge Schalter I (der JFET). Siehe Kapitel "Der JFET (BF245A) als Schalter". Im Falle eines JFET gibt es die Halbleiterübergänge zwischen Gate-Source und Gate-Drain. Bei einem BJT gibt es das selbe zwischen Basis-Emitter und Basis-Kollektor. Auch hier gilt, weil beide Übergänge auf selben Chip, dass die beiden Schwellwertspannungen identisch sind, ausser es fliesst ein Basisstrom, der dafür sorgt, dass UBE um wenige mV grösser ist als UBK. Die Differenzspannung dU liegt zwischen Kollektor und Emitter (GND-Pegel), wenn der Kollektor offen ist oder dieser sich über einem Widerstand ebenfalls auf GND (Referenzspannung) bezieht, wie dies in den Bildern 2 bis 5 zutrifft. Um diesen Betrag verschiebt sich diese Referenzpannung, die bei Dual-Supply dem GND-Pegel entspricht. Die beiden Teilbilder 6.2 und 6.3 zeigen eine Vergleichsmessung zwischen einer JFET-Schaltung mit zusätzlichem Gatestrom zur Reduktion des RDSon und der alternativen Methode zur Schaltung analoger Spannungen mit einem BJT, der ohne Basisstrom nicht auskommt.

Einsatz in Synchrongleichrichter

In einem Praktikum von mir kommt eine EMG-Biofeedback-Schaltung zum Einsatz, die einen Synchrongleichrichter enthält. Es ginge auch mit einem Präzisionsgleichrichter, bestehend aus Opamp und Dioden. Die Wahl für den Synchrongleichrichter dient dem besonderen Lernzweck. Die Umschaltung zwischen Invertierung und Nicht-Invertierung der niederfrequenten AC-Spannung, die ein verstärktes EMG-Signal (EMG = Elektro-Myographie) ist, arbeitet mit einem Komparator (IC:C6) und einem JFET (BF245A) als analoger Schalter. Weil es diesen JFET nicht mehr gibt, evaluierte ich nach Ersatz und fand den J113 von FAIRCHILD. Mehr zu diesem diesem Thema liest man im Elektronik-Minikurs Der analoge Schalter I (der JFET) u.a. im Kapitel "Der obsolete BF245A und die Alternativen". Für kleine Signalspannungen bietet sich allerdings noch eine Alternative der besonderen Art, nämlich den Einsatz eines BJT (Teilbild 7.3) anstelle eines JFET.

Wie aber kam es überhaupt zur Idee einen BJT zu benutzen. Es begann mit einer Diskussion im ELKO-Forum. Hier das entscheidende Posting von Herder.

Die Betriebsspannung beträgt +6 VDC und betrieben wird die Schaltung im Single-Supply-Mode. Ux ist die Arbeitspunktspannung. Man kann sie auch als Referenzspannung bezeichnen. Ux ist mit +2.6 VDC um 0.4 VDC niedriger als die halbe Betriebsspannung von +3 VDC. Dies ist notwendig zur amplitudensymmetrischen Aussteuerung der Ausgangsspannung, weil der Ausgang des IC:C (ein LinCMOS-Dual-Opamp) bis auf den GND-Pegel, jedoch nicht bis +6 VDC aussteuert. Mehr als knapp 5.2 V (typischer Wert) ist nicht möglich. Der Opamp IC:C2 arbeitet als Komparator. Dieser und die gesamte weitere analoge Schaltung ist mit Ux referenziert. Man betrachte dazu in der Biofeedback-Schaltung die Schaltung mit IC:A1.

Teilbild 7.1: T1 (JFET: BF245A) ist in seiner Schalterfunktion dann eingeschaltet, wenn Ue niedriger ist als Ux. Der Komparator-Ausgang (IC:C1) liegt auf etwa 5 V. Die Gatespannung von T1 ist um die Schwellenspannung UGS von etwas mehr als 0.6 V höher als Ux. Mit R21 = 100 k-Ohm resuliert ein Gatestrom von etwa 17 µA. Dies reduziert RDSon etwa auf die Hälfte im Vergleich, wenn das Gate Sourcepotential aufweist. Diesen Zusammenhang erkennt man im Diagramm Bild 5 in Der analoge Schalter I (der JFET). RDSon liegt also bei etwa 100 Ohm und das bedeutet, dass die Signalspannung von Ue am nichtinvertierenden Eingang von IC:C2 um einen Faktor von mehr als 200 gedämpft wird. Diese Dämpfung reicht aus, damit der Synchrongleichrichter für die gezeigte Anwendung in der EMG-Biofeedback-Schaltung ausreichend präzis arbeitet. Es ist keine messtechnische Anwendung. Dies gilt für die negative Amplitude an Ue bezogen auf die Referenzspannung Ux. Bei der positiven ist T1 offen und es erfolgt keine Spannungsteilung von Ue zum nichtinvertierenden Eingang.

Inversion/Nichtinversion: Ist die Ue-Halbwelle positiver als Ux, leitet T1 nicht. Ue liegt am nichtinvertierenden Eingang von IC:C2 mit der vollen positiven Ue-Halbwellenspannung und IC:2 arbeitet nichtinvertierend als Spannungsfolger, weil durch R18 kein Strom fliesst, da zwischen den beiden Eingängen von IC:C2 keine Spannungsdifferenz anliegt. Es ist so, wie wenn R18 während dieser positiven Halbwelle gar nicht existiert und R19 alleine eine Verstärkung von exakt 1 erzeugt (volle Gegenkopplung - Impedanzwandler). Ist die Ue-Halbwelle negativer als Ux, leitet T1 und der nichtinvertierende Eingang von IC:C2 hat Ux-Potential. IC:C2 arbeitet jetzt als invertierender Verstärker mit der Verstärkung -1. Dies bewirkt den gleichrichtenden Effekt (Teilbild 7.2). Ob Ue positiv oder negativ ist zu Ux, Ua ist stets positiv. Diese idealisierte Erklärung gilt nur dann, wenn die maximale Frequenz der AC-Spannung an Ue signifikant niedriger ist als die Unity-Gain-Bandbreite des verwendeten Opamp von IC:C2. Beim IC:C1, der als Komparator wirkt, gilt das selbe Kriterium. Auch auf die Wahl der Slewrate muss man ebenfalls achten. Im Elektronik-Minikurs Der Synchron-Gleichrichter... gibt es zwei unterschiedliche Dimensionierungen im Kapitel "Lowpower oder schnell, das ist hier die Frage...".

Teilbild 7.3: Diese Schaltung unterscheidet sich von Teilbild 7.1 nur dadurch, dass mit T1 ein BJT anstelle eines JFET zum Einsatz kommt. Der signifikante Unterschied ist der, wenn die Basis Emitterpotenzial hat, ist die Kollektor-Emitter-Strecke offen. Hat jedoch das Gate Sourcepotenzial leitet die Drain-Source-Strecke. Der JFET benötigt zum Öffnen der AC-Spannung eine negative Gate-Source-Spannung, bezogen auf die Referenzspannung Ux. Der BJT benötigt im vorliegenden Spezialfall allerdings ebenso diese negative Basis-Emitter-Spannung, weil die AC-Spannung am Kollektor den Wert der Emitterspannung (Ux) erreichen kann und dies nicht dazu führen darf, dass die Basis-Kollektor-Diode leiten kann, wie dies weiter oben ausführlich beschrieben ist. Das praktische Experiment beweist, dass Teilbild 7.3 tatsächlich korrekt arbeitet und der BF245A austauschbar ist mit einem BC550C, BC547C, BC109C und noch einige anderen NPN-Transistoren.