如何使用模拟开关动态切换音频和视频信号

在切换音频和视频信号时,难点在于如何避免引入噪声,以及因设备电阻或附带电容导致的信号损失。虽然 CMOS 模拟开关既有效又高效,但设计人员需要了解关键的参数折衷才能正确使用它们。
在音频或视频信号源间切换可能非常棘手。大多数机械开关或继电器并非为切换多媒体信号而设计,并且可能产生干扰,例如较大的爆音或视觉干扰。开关电路可以从头设计,但这会增加设计复杂性和时间。
为解决此问题,可以使用简单的 CMOS 模拟开关。它们的工作原理与小型半导体继电器相似,允许电流在两个方向流动,且损耗较低。凭借先开后合和低导通电阻等特性,可消除切换期间的音频或视觉噪声,同时减少信号损失。
但在实践中,在使用模拟开关之前,设计人员还需要考虑各种规格的权衡。本文将首先讨论模拟开关基础知识和相关的设计权衡,然后介绍合适的解决方案及其使用方法。

模拟开关基础知识

模拟开关使用并行的 P 沟道 MOSFET 与 N 沟道 MOSFET 来创建双向开关。ON Semiconductor 的 NS5B1G384 SPST 常闭模拟开关便是一个简单的 CMOS 模拟开关示例(图 1)。控制输入根据器件配置是常开 (NO) 还是常闭 (NC),将适当的逆变和非逆变信号发送到 MOSFET 栅极。
简单 SPST 模拟开关的高级表示图
图 1:简单 SPST 模拟开关的高级表示。单个触点根据控制输入信号 IN 的状态来接通和断开。(图片来源:ON Semiconductor)
理想情况下,模拟开关应具有尽可能低的开关电阻 (RON)。实现方法是设计 CMOS 开关,通过增加 MOSFET 漏极/源极面积,为电子流动创造更多表面积并降低导通电阻。
但是,增加表面积具有增大寄生电容的缺点。在较高频率下,此寄生电容可能成为一个问题,即形成低通滤波器从而导致失真。电容器还会因充电和放电时间而导致传播延迟。该延迟取决于负载电阻和 RON,计算方法如下:
等式 1
其中 RL = 负载电阻。
在为给定应用选择 CMOS 开关时,权衡 RON 与寄生电容是关键。并非每个应用都需要低 RON,并且在某些情况下,模拟开关与电阻负载串联,使得 RON 可以忽略不计。但对于视频信号,权衡 RON 与寄生电容就变得很重要。随着 RON 的减小,寄生电容会增加。这会切断高频信号,导致带宽降低或失真。
对于图 1 所示的 NS5B1G384 案例而言,该器件具有 4.0 Ω(典型值)的较低 RON。寄生电容非常低,为 12 皮法 (pF),因而此开关可适用高至 330 MHz 的信号。

切换单一音频来源

要在两个音频信号输出之间切换音频输入信号,须将音频输入连接到两个 NS5B1G384 开关的 COM 引脚。将每个开关的 NC 引脚连接到其各自的变换器,例如耳机和扬声器。请注意,一次只能选择一个 IN 引脚。
在此配置中,模拟开关的导通时间和关断时间变得很重要。对于 NS5B1G384,导通时间为 6.0 纳秒 (ns),关断时间为 2.0 ns。使用多个开关时,更快的关断时间可实现先开后合功能。这确保了在连接一个开关之前先断开另一个开关,从而防止两个负载同时连接。这还减少了在切换音频信号时不时在音频设备上听到的爆音。

切换差分音频信源

另一种在两个音频信号输出之间切换的替代解决方案是使用两个 SPDT 模拟开关。例如,Analog Devices 的 ADG884BCPZ-REEL 在一个封装中包含了两个 SPDT 模拟开关。使用 5 V 电源时,两个开关的 RON 都很低,介于 0.28 Ω(典型值)和 0.41 Ω(最大值)之间,因而适合低损耗音频信号切换。但如此低的 RON 也要付出代价。开关打开时,模拟开关触点之间的寄生电容为 295 pF。
ADG884 可通过开关处理 400 mA 电流,因而适合从音频放大器直接驱动扬声器(图 2)。
使用单个 Analog Devices ADG884 的基本电路示意图
图 2:该基本电路使用单个 Analog Devices ADG884 在两个音频输出设备之间切换。(图片来源:Digi-Key Electronics)
为了最大限度降低 EMI 将噪声注入音频输出的可能性,音频放大器在印刷电路板上的位置应尽可能靠近 ADG884。耳机插孔也应尽可能靠近 ADG884。如果扬声器不使用插孔,则应在 ADG884 和扬声器之间使用屏蔽音频线。
如果音频输入信号为差分对,则信号对 S1A/S1B、S2A/S2B 和 D1/D2 在印刷电路板上的布线位置应彼此相邻,以抵消任何共有干扰,进而消除扬声器或耳机的噪声。

消除切换期间的爆音

为了进一步提高使用高功率放大器时的开关音频信号质量,应使用分流电阻器去除音频放大器输出端的任何累积电荷。为简化此操作,一些模拟开关采用内置的分流电阻器。Maxim Integrated 的 MAX14594EEWL+T DPDT 模拟开关就是一个很好的例子。
为了消除从音频放大器切换时的爆音,MAX14594E 采用先开后合的操作设计,并提供内部分流电阻器,以便在开关打开时对音频放大器的输入耦合电容器进行放电(图 3)。
此电路中的 Maxim MAX14594E 具有两个 500 Ω 内部分流电阻器示意图
图 3:此电路中的 MAX14594E 带有两个 500 Ω 内部分流电阻,可在引脚 NO1 和 NO2 处对音频放大器的输出电容器进行放电,以防止发出可闻爆音。此应用示例的开关位置如图所示已拉低 CB。(图片来源:Maxim Integrated)
MAX14594E 是一个 DPDT 模拟开关,可以使用一个控制输入 CB 同时切换两路音频信号。RON 为 0.25 Ω,寄生电容为 50 pF。请注意,与 NS5B1G384 相比,RON 要低得多,但寄生电容要高得多。
参考图 3,CB 被拉低,以分别将 NC1 和 NC2 连接到 COM1 和 COM2。同时,它将 NO1 和 NO2 处的音频放大器输出连接到分流电阻器。当 CB 被拉高时,NO1 和 NO2 分别连接到 COM1 和 COM2,同时也断开了分流电阻器。
MAX14594E 可由微控制器使用 1.8 伏或更高的 GPIO 电平进行控制,因为 CB 具有 1.4 伏的逻辑高阈值。将 GPIO 引脚与 CB 引脚和接地之间约 0.1 微法 (µF) 的小电容器相连,可以消除任何瞬变。

切换视频信号

当切换视频信号时,情况变得更加复杂。由于信号频率更高,RON 与寄生电容的权衡变得非常重要。RON 较低的模拟开关具有更大的寄生电容,这会降低带宽,并导致视频质量下降。
因此,建议使用 RON 较高且相应的寄生电容较低的模拟开关进行视频切换。但这会降低视频信号的幅度,因此必须通过增加额外的视频放大器来进行补偿。由于可能需要一次切换多个高频信号,因此必须使电路板设计尽可能紧凑,以避免信号损失。为此,选择高度集成的模拟开关至关重要。
例如,Integrated Device Technology (IDT) 的 QS4A110QG 便是一款面向高速视频信号切换应用的双 5PST 模拟开关。它具有 5 Ω 的较低 RON 和 10 pF 的极低寄生电容,可支持 1.8 GHz 的带宽(图 4)。
Integrated Device Technology QS4A110 的高度集成度双 5PST 模拟开关示意图
图 4:QS4A110 是一款高度集成的双 5PST 模拟开关,带宽为 1.8 GHz,可用于切换视频信号。(图片来源:IDT)
从图 4 可知,通过将 A(x) 和 B(x) 信号彼此连接,使得开关输出非 C 即 D,可以很轻松地将其转换为单 5PDT 开关。由于控制信号 E1# 和 E2# 均为低电平有效,将逻辑信号通过逆变器连接到一个控制信号,并通过非逆变缓冲器连接到另一个控制信号,便可实现输出选择。虽然非逆变缓冲器是可选的,但最好将其包括在内,以防止开关输出之间出现争用状况。
QS4A110 的导通时间为 6 ns,关断时间为 6.5 ns(最大值)。 电路中的导通和关断时间实际上是开关和负载电容的 RC 延迟。

总结

在电路设计中采用模拟开关看似轻松,但实际需要因地制宜。模拟开关中存在较低 RON 与较高寄生电容,或较高 RON 与较低寄生电容的权衡,这会直接影响其带宽。针对目标设计选择具有合适特征的器件,才是至关重要的。

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