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音视频切换很棘手?那是因为你不会选模拟开关

2018-12-19
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干货分享 | 教你音视频切换

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

认识模拟开关


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 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


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开关时,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:

t = (Ron x  RL) x C 

其中 RL = 负载电阻。


在为给定的应用选择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,而且在某些情况下,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4.0Ω(典型值)的较低RON,寄生电容也非常低,为12皮法 (pF),因而此开关可适用于高达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2.0ns。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 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0.28Ω(典型值)和0.41Ω(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295pF。

 

ADG884可通过开关处理400mA电流,因而适合从音频放大器直接驱动扬声器(图2)。



2:该基本电路使用单个AnalogDevices 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 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)。


3:此电路中的MAX14594E带有两个500Ω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0.25Ω,寄生电容为50pF。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5Ω的较低RON和10pF的极低寄生电容,可支持1.8GHz的带宽(图4)。


4:QS4A110是一款高度集成的双5PST模拟开关,带宽为1.8GHz,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6ns,关断时间为6.5ns(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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