Dinamično preklapljanje avdio in video signalov z analognimi stikali

Revija logo digikey 300x150 - Dinamično preklapljanje avdio in video signalov z analognimi stikaliDigi-Key Electronics
Avtor: Rich Miron
2018_269_28

Pri preklapljanju avdio in video signalov je težava preprečevanje šuma, ki lahko nastane, pri čemer ne želimo izgubiti signala zaradi upornosti naprave ali naključne kapacitivnosti. Čeprav so analogna CMOS stikala učinkovita in zmogljiva, se morajo oblikovalci zavedati kritičnih kompromisov parametrov in jih pravilno uporabiti.

Preklapljanje med viri avdio in video signalov je lahko težavno. Večina mehanskih stikal ali relejev ni namenjena za preklapljanje večpredstavnostnih signalov in lahko povzroči motnje, kot so glasno pokljanje ali vizualne motnje. Stikalne tokokroge se lahko oblikuje povsem na novo, vendar to še dodatno prispeva k njihovi kompleksnosti in daljšemu času izdelave.

Omenjene težave se lahko reši z uporabo preprostih analognih CMOS stikal. Ta stikala delujejo kot majhni polprevodniški releji in omogočajo tok v obeh smereh z nizko izgubo. Lastnosti, kot sta premor pred vklopom in nizka vklopna upornost, preprečujeta avdio ali video šum, hkrati pa zmanjšujeta izgubo signala.

Vendar pa morajo načrtovalci v praksi, preden uporabijo analogna stikala, upoštevati nekatere kompromisne specifikacije. Članek najprej opisuje osnove analognega stikala in z njim povezane kompromise, ki jih je treba upoštevati pri načrtovanju, nato pa še nekatere rešitve in kako se jih uporablja.

Osnovne analognega stikala

Analogno stikalo skupaj z N-kanalnim MOSFET uporablja P-kanalni MOSFET, s čimer ustvari dvosmerno stikalo. Preprost primer analognega CMOS stikala je NS5B1G384 SPST, ki je normalno sklenjeno analogno stikalo proizvajalca ON Semiconductor (slika 1). Krmilni vhod pošilja ustrezne invertirane in neinvertirane signale v vrata MOSFET tranzistorja glede na to, ali je konfiguracija naprave normalno odprta (NO) ali normalno sklenjena (NC).

V idealnem primeru bi moralo analogno stikalo imeti čim manjšo kontaktno upornost sklenjenega stikala (RON). To se doseže s CMOS stikalom, pri katerem je območje odvoda/vira MOSFET večje, kar zagotavlja večjo površino, po kateri teče tok, in zmanjšuje upornost sklenjenega stikala.

Po drugi strani pa povečanje površine poveča tudi parazitsko kapacitivnost. Pri višjih frekvencah lahko ta parazitska kapacitivnost postane problem, ker ustvarja nizkopasovni filter, ki povzroči popačenje. Kondenzator ustvari tudi zakasnitev prenosa, ki ga povzroča čas polnjenja in praznjenja kondenzatorja. Ta zakasnitev je odvisna od upornosti obremenitve in upornosti sklenjenega stikala RON. Formula za izračun je:

t = (RON x RL) x C

pri čemer velja, da je RL = upornost obremenitve.

Ta kompromis med upornostjo sklenjenega stikala RON in parazitsko kapacitivnostjo je ključen za izbiro CMOS stikala, ki ga bomo uporabili. Vse izvedbe ne zahtevajo nizke upornosti RON in v nekaterih primerih je analogno stikalo zaporedno vezano z upornostno obremenitvijo, tako da je upornost RON zanemarljiva. Pri video signalih pa upornost RON v primerjavi s parazitsko kapacitivnostjo postane pomembna. Ko se manjša RON, se parazitska kapacitivnost povečuje. To zmanjša visoke frekvence, kar povzroči manjšo pasovno širino ali popačenje.

V primeru stikala NS5B1G384 na sliki 1 ima ta naprava zmerno nizko upornost RON v višini 4,0 Ω (običajna). Parazitska kapacitivnost je zelo nizka 12 pikofaradov (pF), zaradi česar se stikalo uporablja za signale do 330 MHz.

Preklapljanje enega vira zvoka

Za preklapljanje vhodnega avdio signala med dvema izhodnima avdio signaloma je avdio vhod priključen na kontakte COM dveh stikal NS5B1G384. Kontakt NC vsakega stikala je povezan s svojim pretvornikom, na primer s slušalkami ali zvočnikom. Hkrati je lahko izbran samo en kontakt IN.

V tej konfiguraciji postane pomemben čas vklopa in čas izklopa analognih stikal. Za stikalo NS5B1G384 je čas vklopa 6,0 nanosekund (ns) in čas izklopa 2,0 ns. Pri uporabi več stikal hitrejši čas izklopa omogoča funkcijo premora pred vklopom. To zagotavlja, da se eno stikalo izklopi, preden se priklopi drugo stikalo, tako da se dve obremenitvi ne priklopita hkrati. S tem se zmanjša tudi pokljajoči zvok, ki ga včasih slišimo v avdio opremi pri preklopu avdio signalov.

Preklapljanje diferenčnega vira zvoka

Druga rešitev za preklapljanje med dvema izhodnima avdio signaloma je uporaba dveh analognih stikal SPDT. Stikalo ADG884BCPZ-REEL proizvajalca Analog Devices ima na primer v enem paketu dve analogni stikali SPDT. Z napetostjo 5 voltov ima vsako od obeh stikal zelo majhno upornost RON: med 0,28 Ω (običajna) in 0,41 Ω (največja), zaradi česar sta primerni za preklapljanje avdio signalov z majhno izgubo. Seveda pa ima tako majhna upornost RON svojo ceno. Parazitska kapacitivnost med kontakti analognega stikala pri vključenem stikalu znaša 295 pF.

ADG884 lahko prek stikal obvladuje 400 mA, zaradi česar je primeren za zvočnike z direktnim pogonom iz avdio ojačevalnika (slika 2).

Za zmanjšanje možnosti ustvarjanja elektromagnetnih motenj oz. šuma v avdio izhodu mora biti ojačevalnik na plošči tiskanega vezja postavljen čim bližje stikalu ADG884. Tudi vtičnica za slušalke mora biti čim bližje stikalu ADG884. Če zvočnik ne uporablja vtičnice, je treba med stikalom ADG884 in zvočnikom uporabiti zaščiten avdio kabel.

Če je vhodni avdio signal diferencialni par, morajo biti signalni pari S1A/S1B, S2A/S2B in D1/D2 na plošči tiskanega vezja usmerjeni eden poleg drugega, da se prepreči morebitne skupne motnje in s tem morebiten šum iz zvočnika ali slušalk.

Odpravljanje pokljajočega zvoka med preklapljanjem

Če želite še izboljšati kakovost preklapljanja avdio signalov pri uporabi visokozmogljivih ojačevalnikov, morate uporabiti vzporedne upore za odstranitev morebitnega kopičenja napetosti na izhodu avdio ojačevalnika. Za poenostavitev imajo nekatera analogna stikala že vgrajene vzporedne upore. Dober primer je analogno stikalo MAX14594EEWL+T DPDT proizvajalca Maxim Integrated.

Za preprečevanje pokljajočega zvoka iz avdio ojačevalnika pri preklapljanju ima MAX14594E funkcijo premora pred vklopom, poleg tega pa tudi notranje vzporedne upore za praznjenje vhodnih sklopnih kondenzatorjev avdio ojačevalnika, ko so stikala sklenjena (slika 3).

MAX14594E je analogno stikalo DPDT in se lahko uporablja za preklapljanje obeh linij avdio signala hkrati z enim krmilnim vhodom, CB. RON je 0,25 Ω medtem ko je parazitska kapacitivnost 50 pF. V primerjavi s stikalom NS5B1G384 je upornost RON precej nižja ter parazitska kapacitivnost posledično veliko višja.

Kot je prikazano na sliki 3, je upornost vhoda CB nastavljena nizko, da se NC1 in NC2 povežeta s COM1 in COM2. Istočasno se izhod avdio ojačevalnika pri NO1 in NO2 poveže z vzporednimi upori. Ko je upornost vhoda CB nastavljena visoko, se NO1 in NO2 povežeta s COM1 in COM2, pri čemer se vzporedni upori izklopijo.

Stikalo MAX14594E je mogoče krmiliti z mikrokontrolerjem, ki ima raven GPIO 1,8 volta ali več, saj ima CB visok logični nivo 1,4 volta. Če povežete kontakt GPIO z majhnim kondenzatorjem s približno 0,1 mikrofarada (μF) med kontaktom CB in ozemljitvijo, se zgladijo prehodi.

Preklapljanje video signalov

Pri preklapljanju video signalov postanejo stvari zahtevnejše, saj postane zaradi visokofrekvenčnih signalov upornost RON v primerjavi s parazitsko kapacitivnostjo pomembnejša. Analogna stikala z nizko upornostjo RON imajo večjo parazitsko kapacitivnost, kar zmanjšuje pasovno širino in posledično znižuje kakovost videa.

Zato je za preklapljanje videa priporočljivo uporabiti analogna stikala z višjo upornostjo RON, ki imajo ustrezno nižjo parazitsko kapacitivnost. Vendar pa to zmanjšuje amplitudo video signala, ki jo je treba nadomestiti z dodajanjem video ojačevalnikov. Ker je morda treba visokofrekvenčne signale preklopiti hkrati, je pomembno, da je plošča tiskanega vezja čimbolj kompaktna, ker se s tem prepreči izgubo signala. Če želimo doseči ta cilj, je bistvenega pomena, da izberemo dobro integrirana analogna stikala.

Stikalo QS4A110QG proizvajalca Integrated Device Technology (IDT) je na primer dvojno analogno stikalo 5PST, namenjeno za preklapljanje hitrega video signala. Ima zmerno nizko upornost RON 5 Ω in izjemno nizko parazitsko kapacitivnost 10 pF, kar omogoča pasovno širino 1,8 GHz (slika 4).

Če pogledamo sliko 4, je stikalo mogoče preprosto pretvoriti v eno stikalo 5PDT: povežemo signale A(x) in B(x), tako da so preklopljeni izhodi bodisi C bodisi D. Ker sta oba krmilna signala E1# in E2# nastavljena na nizko upornost, logični signal, povezan z enim krmilnim signalom z inverterjem in drugim krmilnim signalom z neinvertiranim sledilnikom, omogoča izbiranje izhodov. Neinvertiran sledilnik sicer ni obvezen, vendar ga je priporočljivo vključiti, da preprečite tvegano stanje med izhodi stikala.

QS4A110 se vklopi v 6 ns in izklopi v 6,5 ns (največ). Dejansko čas vklopa in čas izklopa v krogotoku ustvarjata zakasnitev RC stikala in kapacitivnost obremenitve.

Zaključek

Videti je, da je analogna stikala mogoče preprosto uvrstiti v tokokrog, vendar niso vsa enaka. Kompromis med nižjo upornostjo RON in višjo parazitsko kapacitivnostjo ali višjo upornostjo RON in nižjo parazitsko kapacitivnostjo neposredno vpliva na njihovo pasovno širino. Zato je izbira naprave, ki ima ustrezne lastnosti za ciljno konfiguracijo, najpomembnejša.

www.digikey.com