Использование полупроводниковых переключателей для коммутации аудио-видео сигналов

Переключение аудио- и видеосигналов представляется простой конструкторской задачей, но если приоритет состоит в том, чтобы делать это без помех, обеспечивая при этом небольшие потери из-за наличия емкости или сопротивлений, оказывается, что существует много проблем, которые необходимо решить. Хотя популярные аналоговые CMOS-переключатели имеют хорошие параметры, разработчики должны знать, как правильно их использовать.

Механические переключатели или электромагнитные реле не подходят для переключения аудио / видео сигналов, поскольку коммутация с ними создает помехи, такие как потрескивание или видимые помехи в содержимом изображения. Для этого используются специализированные полупроводниковые коммутационные системы, изготовленные по технологии CMOS, в которых за переключение отвечают транзисторы MOSFET.

Они обеспечивают двусторонний поток тока с небольшими вносимыми потерями, и обеспечивает процесс подключения выходной цепи до отключения входа, что обеспечивает возможность избежать помех.

Основы коммутации аналоговых сигналов

Рис. 1. Блок-схема простого аналогового переключателя типа SPST (с одной парой контактов), управляемого логическим состоянием на входе IN

В полупроводниковом аналоговом коммутаторе используется пара полевых МОП-транзисторов: N-канал, подключенный параллельно второму P-каналу, что позволяет реализовать двунаправленный коммутатор. Примером такого решения, выполненного в технологии CMOS, является NS5B1G384 SPST от ON Semiconductor (рис. 1) с выходом NC (нормально замкнутый). Схема управления транзистором в нем генерирует соответствующие инвертирующие и неинвертирующие сигналы для затворов MOSFET, вызывая соответствующее открытие или закрытие каналов в обоих переключающих транзисторах.

В идеале аналоговый переключатель должен иметь как можно меньшее сопротивление, когда он включен (R_ON ). Это достигается путем выполнения структуры КМОП, чтобы области стока и истока в полевых МОП-транзисторах были как можно большими, чтобы сопротивление канала в проводимости было минимальным. Однако увеличение размера поверхности конструкции также приводит к увеличению паразитных способностей.

На более высоких частотах этот дополнительный конденсатор может стать проблемой, потому что он создает фильтр нижних частот, который вызывает искажение частотной характеристики. Конденсатор также вызывает задержку распространения сигнала из-за времени его зарядки и разрядки, и величина этой задержки зависит от сопротивления нагрузки и R ON и определяется как t = (R ON + R L ) · C, где R L — сопротивление нагрузки.

Следовательно, поддержание компромисса между R_ON и паразитной емкостью имеет решающее значение при выборе переключателя CMOS для данного приложения. Низкое последовательное значение сопротивления не всегда требуется, и в некоторых случаях аналоговый переключатель включается последовательно с резистивной нагрузкой с высоким сопротивлением, в результате чего его R _ON является незначительным.

Однако в случае видеосигналов большая паразитная емкость обрезает высокие частоты, что приводит к меньшей полосе пропускания или искажениям. Следовательно, переключатель с более высоким сопротивлением будет работать лучше в этом случае .

В случае системы NS5B1G384, показанной на рисунке 1, значение R_ON является умеренно низким 4,0 Ом (типичное значение), а паразитная емкость очень мала — 12 пФ. Это означает, что этот переключатель можно использовать для сигналов с полосой пропускания до 330 МГц.

Переключение аудиосигналов

Рис. 2. Иллюстративная схема использования переключателя ADG884 для переключения между двумя аудиовыходами

Типичное решение для переключения двух аудиоисточников требует использования двух переключателей NS5B1G384, каждый из которых поддерживает один источник, например громкоговоритель или гарнитуру. Управление состоит в выборе одного входного контакта за раз, но в этой конфигурации правильный порядок включения и выключения аналоговых переключателей становится важным, чтобы предотвратить включение второй цепи перед отключением первой и, таким образом, избежать сбоев.

Альтернативное решение для переключения между двумя выходами аудиосигнала состоит в использовании двух аналоговых переключателей SPDT (с переключающим выходом).

Пример ADG-884BCPZ-REEL этого типа от Analog Devices включает два аналоговых SPDT-переключателя в одной микросхеме. При питании от 5 В они обеспечивают очень низкое значение R ON от 0,28 Ω (обычно) до 0,41 Ω (макс.), Что делает их пригодными для переключения аудиосигналов с низкими потерями.

Однако низкая R_ON имеет свою цену — паразитная емкость между контактами аналогового переключателя с включенным переключателем достигает 295 пФ. Стоит отметить, что ADG884 способен переключать сигналы до 400 мА, что делает его пригодным для переключения непосредственно на динамики на выходе аудиоусилителя (Рисунок 2).

Чтобы свести к минимуму возможность возникновения помех EMI, аудиоусилитель должен быть размещен на печатной плате как можно ближе к переключателю ADG884. Гнездо для наушников также должно быть расположено как можно ближе к ADG884, или следует использовать экранированный кабель между ADG884 и другими компонентами на пути прохождения сигнала.

В случае, когда аудиосигналы передаются в дифференциальной форме, отдельные пары S1A-B, S2A-B и D1-2 должны располагаться близко друг к другу, чтобы исключить любые общие шумы, например те, которые возникают от громкоговорителя рядом с ним.

Устранение помех на звуковой дорожке при переключении

Рис. 3. MAX14594E имеет два внутренних шунтирующих резистора на 500 Ом, которые разряжают выходные конденсаторы аудиоусилителя на выводах NO1 и NO2, чтобы не было срабатываний. Положения переключателей в этом примере показаны для низкого состояния сигнала управления CB

Для дальнейшего улучшения качества коммутируемых аудиосигналов и, следовательно, обычно, когда усилители высокой мощности подключены к их выходам, используйте шунтирующие резисторы для устранения накопленных зарядов в емкостях, содержащихся в тракте сигнала. Чтобы упростить эту задачу, некоторые аналоговые переключатели уже имеют встроенные шунтирующие резисторы. Хорошим примером является Maxim Integrated MAX14594EEWL + T DPDT.

Чтобы устранить потрескивание при переключении, MAX14594E имеет внутренние шунтирующие резисторы для разрядки входных конденсаторов аудиоусилителя после размыкания переключателей (рисунок 3).

MAX14594E имеет выход типа DPDT (два переключающих контакта), что позволяет использовать его для одновременного переключения обеих сигнальных линий с одним управляющим входом CB. R_ON составляет 0,25 Ом, а паразитная емкость составляет 50 пФ. По сравнению с NS5B1G384, R _ON значительно ниже, но за счет увеличения паразитной емкости.

Как показано на рисунке 3, состояние низкого CB связывает NC1 и NC2 с COM1 и COM2 соответственно. В то же время он сочетает в себе выход усилителя звука NO1 и NO2 с шунтирующими резисторами. Для CB с высоким состоянием NO1 и NO2 подключены к COM1 и COM2 соответственно, что также приводит к отключению резисторов байпаса.

MAX14594E может управляться микроконтроллером, где логическое напряжение GPIO составляет 1,8 В или более, поскольку управляющий вход CB имеет высокий логический порог 1,4 В. Контакты GPIO должны быть подключены с использованием конденсатора емкостью около 0,1 мкФ между CB и землей, что сгладит любые переходные процессы.

Переключение видеосигнала

Рис. 4. QS4A110 — это встроенный двойной аналоговый переключатель в конфигурации 5PST, обеспечивающий переключение видеосигналов в полосе частот 1,8 ГГц.

Эта проблема усложняется в случае переключения видеосигналов , потому что здесь низкое значение R_ON важно из-за согласования импедансов и малой емкости емкости из-за ограничений полосы пропускания, которые снижают качество передаваемого материала.

Поэтому рекомендуется использовать системы с более высоким значением R_ON и соответственно более низкой паразитной емкостью. Однако это уменьшает амплитуду видеосигнала, что должно быть компенсировано путем добавления дополнительных усилителей и привлечения внимания к хорошей форме сигнала. В этой области ценны системы интеграции большого масштаба, потому что обычно переключаются многие сигналы , и это позволяет сделать конструкцию печатной платы как можно меньше и минимизировать потери сигнала.

Примером этого решения является QS4-A110QG от Integrated Device Technology (IDT). Это двойной аналоговый переключатель в конфигурации 5PST, предназначенный для коммутации видеосигналов . Он имеет умеренно низкое значение R_ON = 5 Ом и чрезвычайно низкую паразитную емкость — всего 10 пФ, что обеспечивает поддержку видеосигнала в полосе 1,8 ГГц (рисунок 4).

Глядя на рисунок 4, мы видим, что он может быть легко преобразован в один 5PDT, объединяя сигналы A (x) и B (x) друг с другом, так что переключающие выходы имеют C или D. Оба управляющих сигнала E1 # и E2 # активны в состоянии низкий, следовательно, второй вход должен быть задан инвертором. В системах, где должна быть обеспечена высокая скорость переключения, следует также обратить внимание на время распространения управляющих сигналов, чтобы не было ситуации коммутации (гонки) между выходами коммутатора. В этом случае дополнительный неинвертирующий буфер на втором входе будет компенсировать время распространения.

QS4A110 имеет время включения 6 нс и время выключения до 6,5 нс. Поэтому время включения и выключения в цепи определяется сопротивлением переключателя во включенном состоянии и емкостями, присутствующими в цепи.

ВЫВОД
Аналоговые переключатели кажутся простыми в использовании, но они не универсальны. Они требуют, чтобы конструктор находил компромисс между наименьшим возможным значением R_ON и более высокой паразитной емкостью, или более высоким R_ON, и меньшей емкостью. Оба непосредственно влияют на пропускную способность коммутируемых сигналов. Поэтому выбор конфигурации и макета определяют параметры проектируемого приложения в наибольшей степени.