низкий уровень шума, низкое искажение аналогового мультиплексирования

Я пытаюсь разработать схему с низким уровнем шума, низким уровнем искажений и низкой стоимостью операционного усилителя для мультиплексирования аналоговых (аудио) сигналов. Опыт, исследования и некоторые эксперименты уже привели меня к следующим компонентам в сочетании с надлежащим малошумящим источником питания:

• NE / SA5532A двойной малошумящий операционный усилитель (таблица данных)
• HEF4053B аналоговый CMOS-переключатель (таблица данных)

По сути, этот вопрос касается интеграции коммутатора. Я знаю, что реле являются альтернативой CMOS-коммутаторам, но примерно в 5–10 раз дороже, они не являются опцией в этой конструкции.

Там были хорошие вопросы с разумными ответами о схемах операционного усилителя с (переключаемым) переменным усилением, например, здесь . Этот вопрос не об этой проблеме, как следует из названия. Но потерпите меня и позвольте мне остановиться на этом как на вступлении.

Рассмотрим эту схему с переменным усилением:

Положение переключателей в этой схеме идеальное. Они находятся на уровне земли, поэтому смещение не влияет на сопротивление переключателя. В результате в этом положении переключатели не генерируют искажения модуляции.

На пути прохождения сигнала переключатели также находятся вдали от чувствительных входных контактов операционного усилителя. Rin, Rf, Rg1 и Rg2 могут быть расположены очень близко к входным контактам. Если переключатель будет на входе операционного усилителя, это будет невозможно.

Теперь к реальной сути моего вопроса. Вот 4 различных возможных конфигурации входного мультиплексирования, и ни одна из них не приблизилась к идеальной конфигурации выше решения с переменным усилением.

Схема вокруг U3 существует для полноты, но она наименее разумна.

В цепях вокруг U2 и U4 переключатели видят переменный уровень напряжения, что приведет к искажению модуляции.

Схема вокруг U1 имеет переключатели на виртуальном заземлении, но их положение также на инвертирующем входном выводе. Я реализовал это в прошлом и по своему опыту такая компоновка приводит к высокой чувствительности к шуму. Я говорю не о внутреннем шуме схемы, а о шуме окружающей электроники.

Мой вопрос заключается в том, имеет ли кто-либо опыт наилучшего компромисса, который может быть достигнут, или может предложить какие-то уловки, которые могут обойти недостатки, изложенные здесь, или предложить умную, другую схему, которая достигает той же цели.

редактировать

В ответах и ​​комментариях были затронуты несколько аспектов основного вопроса. По сути, я спрашивал о наилучшей топологии, и она сместилась в сторону свойств переключателя (сопротивление включения, линейность, отключение емкости) и побочных эффектов конфигурации микширования (зарядка узла, приводящая к сбоям при переключении), перекрестных помех ,. ..

Я хорошо осведомлен обо всех этих проблемах, и я мог бы упростить вопрос в пользу ясности и целенаправленности.

Энди ака высказал ценные соображения, которые я продолжу, но предложенное решение точно такое же, как я делал в прошлом, с меньшим успехом, чем я надеялся.

τεκ поднял простую, но интересную альтернативу, которую я также рассмотрю.

Мой промежуточный вывод заключается в том, что я попытаюсь достать аудиокнигу Douglas Self. Я буду копаться в свойствах switch и FET и попытаюсь смоделировать их влияние в различных топологиях. Это может привести к новому пониманию, и я сообщу. Я определенно буду прототипировать различные решения в конце. Так что это может занять некоторое время, но я вернусь с новыми взглядами и доложу.

Альтернатива:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Недостатки:

• Пропускная способность входов зависит от отношения сопротивления к Rg
• Емкость в выключенном состоянии может вызвать искажение АЧХ

Преимущества:

• Линейность включенного состояния не важна.
• Сопротивление в выключенном состоянии обычно настолько велико, что его можно игнорировать.
• Если входное напряжение достаточно низкое, переключателем может быть один полевой МОП-транзистор.

Один аспект, который вы не учли, заключается в том, что с инвертирующим микшером узел микширования является виртуальной землей, следовательно, вы «смешиваете» входные токи, а ток каждого входа «погружается» в виртуальную землю. Это обеспечивает одно главное преимущество:

Very little cross talk between one input signal and another.

$^1$

В микшере, подобном этому, узел микширования сильно страдает от всех подключенных к нему входов, поэтому я бы выбрал схему, которая использует U1. Да, в микшерном узле будет больше емкости заземления, и это вызовет высокочастотный шум, но также будет иметь кучу входов, и это проблема, с которой сталкиваются все микшеры Anlogue, поэтому выбирайте операционный усилитель с низким входным шумом плотность напряжения и будьте готовы добавить параллельный конденсатор через Rf.

Вы также должны помнить, что на высоких звуковых частотах аналоговые переключатели не являются разомкнутыми цепями, и по-прежнему может быть слышен некоторый шум высокого спектра от входа, который считается отключенным.

$^1$

После некоторого моделирования я фактически разработал, создал и настроил решение τεκ с очень хорошими результатами:

NE5532 - это фактический операционный усилитель, который я использовал. Не против FET в схеме. Я протестировал несколько полевых транзисторов в диапазоне от Rdson = 40 до 10 МОм, а перекрестные помехи приемлемы только для полевых транзисторов на 10 МОм. Это легко найти, хотя. Имейте в виду, что они должны быть полностью открыты при напряжении 4,5 В, так как я хочу управлять этим с помощью микроконтроллера с 5 В выходами с открытым коллектором.

Этот дизайн представляет собой компромисс между шумом и перекрестными помехами. резисторы все масштабируются одновременно, и R13 и R16 по сравнению с Rdson определяют перекрестные помехи (утечки), в то время как R13, R15, R16, R18 определяют тепловой шум. Изменение от 1 кОм до 2 кОм отчетливо слышно.

Это, очевидно, не может работать для систем, связанных с постоянным током, все смещено по средней линии в зависимости от FET.

Очень хорошая развязка в середине рельса чрезвычайно важна, чтобы не иметь влияния от окружающих цепей.

Но приведенная выше схема со всеми настраиваемыми мультиплексами без каких-либо слышимых искажений, с абсолютно минимальным шумом и перекрестными помехами.

В случае, если кому-то интересно, есть R14 и R17, чтобы определить напряжение на стоке полевых транзисторов. В противном случае это напряжение будет зависеть от утечки конденсаторов связи.

Имейте в виду, что у этой версии мультиплексора есть один существенный недостаток, который трудно решить: выход сильно падает при закрытии любого из полевых транзисторов. Это происходит из-за того, что смещение постоянного тока нарушается при вытягивании стока FET на землю. Это проходит через соединительные колпачки, прежде чем достигнет нового равновесия. Но это не проблема в моем приложении, так как при переключении мультиплексора выходные сигналы будут на короткое время отключены.

По цене я не могу себе представить, что есть лучшие альтернативы, недостатки управляемы, а шум и звук на высшем уровне.