niski poziom szumów, analogowe multipleksowanie przy niskich zniekształceniach

Próbuję zaprojektować układ o niskim poziomie szumów, zniekształceniach i niedrogim wzmacniaczu operacyjnym do multipleksowania sygnałów analogowych (audio). Doświadczenie, badania i niektóre eksperymenty doprowadziły mnie już do następujących elementów w połączeniu z odpowiednim cichym źródłem zasilania:

• NE / SA5532A podwójny cichobieżny wzmacniacz operacyjny (karta katalogowa)
• HEF4053B analogowy przełącznik CMOS (arkusz danych)

To pytanie dotyczy w zasadzie integracji przełącznika. Wiem, że przekaźniki są alternatywą dla przełączników CMOS, ale przy około 5 do 10-krotnym koszcie nie są tak naprawdę opcją w tym projekcie.

Pojawiły się dobre pytania z rozsądnymi odpowiedziami na temat obwodów wzmacniacza operacyjnego z (przełączalnym) zmiennym wzmocnieniem, np . Tutaj . To pytanie nie dotyczy tego problemu, jak sugeruje tytuł. Ale bądźcie ze mną i pozwólcie, że rozwinę je na wstępie.

Rozważ ten obwód ze zmiennym wzmocnieniem:

Położenie przełączników w tym obwodzie jest idealne. Są na poziomie gruntu, więc żadne przesunięcie nie wpływa na rezystancję przełącznika. W rezultacie w tej pozycji przełączniki nie generują zniekształceń modulacji.

Na ścieżce sygnału przełączniki znajdują się również z dala od czułych styków wejściowych wzmacniacza operacyjnego. Rin, Rf, Rg1 i Rg2 mogą znajdować się bardzo blisko styków wejściowych. Gdyby przełącznik znajdował się po stronie wejścia wzmacniacza operacyjnego, nie byłoby to możliwe.

Teraz do prawdziwego sedna mojego pytania. Oto 4 różne możliwe konfiguracje multipleksowania wejściowego i żadna z nich nie zbliża się do idealnej konfiguracji powyżej rozwiązania o zmiennym wzmocnieniu.

Obwód wokół U3 jest kompletny, ale jest to najmniej sensowne.

W obwodach wokół U2 i U4 przełączniki widzą zmienny poziom napięcia, co prowadzi do zniekształceń modulacji.

Obwód wokół U1 ma przełączniki na wirtualnej masie, ale ich położenie znajduje się również na odwracanym pinie wejściowym. Zaimplementowałem to w przeszłości i z doświadczenia ten układ prowadzi do wysokiej wrażliwości na zakłócenia. Nie mówię o nieodłącznym szumie obwodu, ale o szumie z otaczającej elektroniki.

Moje pytanie brzmi, czy ktoś ma doświadczenie w najlepszych kompromisach, jakie można wykonać, lub może zasugerować wszelkie sztuczki, które mogą ominąć podsumowane tutaj wady, lub może zasugerować sprytny, inny schemat, który osiąga ten sam cel.

edytować

W odpowiedziach i komentarzach poruszono kilka aspektów głównego problemu. Zasadniczo pytałem o najlepszą topologię, która przesunęła się w kierunku właściwości przełączników (oporność, liniowość, wyłączanie pojemności) i skutków ubocznych konfiguracji mieszania (ładowanie węzłów powodujące przełączanie się przełączników), przesłuch. ..

Jestem w pełni świadomy wszystkich tych kwestii i mogłem nadmiernie uprościć pytanie na rzecz jasności i skupienia.

Andy aka podniósł cenne rozważania, które będę kontynuował, ale sugerowane rozwiązanie jest dokładnie takie, jak w przeszłości, z mniejszym sukcesem, niż się spodziewałem.

τεκ podniósł prostą, ale interesującą alternatywę, nad którą również przyjrzę się.

Mój pośredni wniosek jest taki, że postaram się zdobyć książkę audio Douglas Self. Zajmę się właściwościami przełączników i FET i spróbuję zasymulować ich działanie w różnych topologiach. To może prowadzić do nowych spostrzeżeń, a ja zdam raport. Ostatecznie będę ostatecznie prototypować różne rozwiązania. Może to trochę potrwać, ale wrócę z nowymi spostrzeżeniami i zdam raport.

Alternatywny:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Niedogodności:

• Wejściowe przeciekają na podstawie stosunku rezystancji do Rg
• Pojemność poza stanem może powodować zniekształcenie odpowiedzi częstotliwościowej

Zalety:

• Włączenie liniowości stanu nie jest ważne.
• Rezystancja stanu wyłączenia jest zwykle tak wysoka, że ​​można ją zignorować.
• Jeśli napięcie wejściowe jest wystarczająco niskie, przełącznikiem może być pojedynczy MOSFET.

Jednym z aspektów, których nie wziąłeś pod uwagę, jest to, że w mikserze odwracającym węzeł mieszający jest wirtualną ziemią, dlatego „miksujesz” prądy wejściowe, a prąd każdego wejścia „tonie” w wirtualnej ziemi. Zapewnia to jedną główną korzyść:

Very little cross talk between one input signal and another.

$^1$

W takim mikserze węzeł miksujący bardzo cierpi z powodu wszystkich podłączonych do niego wejść, więc wybrałbym obwód wykorzystujący U1. Tak, będzie więcej pojemności do uziemienia w węźle miksującym, co spowoduje hałas o wysokiej częstotliwości, ale będzie miał wiele wejść i jest to problem, z którym borykają się wszystkie miksery anlogue, więc wybierz wzmacniacz operacyjny o niskim poziomie szumów wejściowych gęstość napięcia i przygotuj się na dodanie równoległego kondensatora na Rf.

Należy również pamiętać, że przy wysokich częstotliwościach audio przełączniki analogowe nie są obwodami otwartymi, a niektóre szumy o wysokim widmie z wejścia uznanego za wyłączone mogą być nadal słyszalne.

$^1$

Po wykonaniu kilku symulacji, nad którymi faktycznie opracowałem, zbudowałem i poprawiłem rozwiązanie τεκ z bardzo dobrymi wynikami:

NE5532 to faktyczny opamp, którego użyłem. Nie przeszkadza FET na schemacie. Testowałem z kilkoma FET od Rdson = 40 mOhm do 10 mOhm, a przesłuch jest akceptowalny tylko dla 10 mOhm FET. Łatwo je jednak znaleźć. Pamiętaj, że muszą być w pełni otwarte z napięciem 4,5 V, ponieważ chcę to kontrolować z µC z wyjściami tolerującymi 5 V z otwartym kolektorem.

Ta konstrukcja stanowi kompromis między hałasem a przesłuchem. wszystkie rezystory skalują się jednocześnie i to R13 i R16 w porównaniu z Rdsonem determinują przesłuch (przeciek), a także R13, R15, R16, R18, które określają hałas termiczny. Zmiana z 1k omów na 2k omów jest wyraźnie słyszalna.

To oczywiście nie działa w przypadku systemów sprzężonych prądem stałym, wszystko ma tendencję do odchylania szyny środkowej w funkcji tranzystorów polowych.

Bardzo dobre odsprzęganie środkowej szyny jest niezwykle ważne, aby nie mieć wpływu z otaczających obwodów.

Ale powyższy schemat z wszystkimi jego ulepszonymi multipleksami bez słyszalnych zniekształceń, z absolutnie minimalnym szumem i przesłuchem.

W przypadku, gdy ktoś zastanawia się, R14 i R17 są tam, aby zdefiniować napięcie na odpływie FET. W przeciwnym razie napięcie to zależałoby od wycieku kondensatorów sprzęgających.

Należy pamiętać, że ta wersja multipleksera ma jedną poważną wadę, którą trudno rozwiązać: wyjście ogromnie spada podczas zamykania dowolnego FET. Wynika to z tego, że napięcie prądu stałego jest zakłócane przez ciągnięcie odpływu FET do ziemi. To przechodzi przez kołpaki sprzęgające, zanim osiągnie nową równowagę. Ale to nie jest problem w mojej aplikacji, ponieważ wyjścia będą chwilowo wyciszone cyfrowo podczas przełączania multipleksera.

W cenie nie wyobrażam sobie, że istnieją lepsze alternatywy, wady można opanować, a hałas i dźwięk są na najwyższym poziomie.