在切換音訊和影片訊號時,難點在於如何避免引入噪聲,以及因裝置電阻或附帶電容導致的訊號損失。雖然 CMOS 模擬開關既有效又高效,但設計人員需要了解關鍵的引數折衷才能正確使用它們。在音訊或影片訊號源間切換可能非常棘手。大多數機械開關或繼電器並非為切換多媒體訊號而設計,並且可能產生干擾,例如較大的爆音或視覺干擾。開關電路可以從頭設計,但這會增加設計複雜性和時間。
為解決此問題,可以使用簡單的 CMOS 模擬開關。它們的工作原理與小型半導體繼電器相似,允許電流在兩個方向流動,且損耗較低。憑藉先開後合和低導通電阻等特性,可消除切換期間的音訊或視覺噪聲,同時減少訊號損失。但在實踐中,在使用模擬開關之前,設計人員還需要考慮各種規格的權衡。本文將首先討論模擬開關基礎知識和相關的設計權衡,然後介紹合適的解決方案及其使用方法。
模擬開關使用並行的 P 溝道 MOSFET 與 N 溝道 MOSFET 來建立雙向開關。ON Semiconductor 的 NS5B1G384 SPST 常閉模擬開關便是一個簡單的 CMOS 模擬開關示例(圖 1)。控制輸入根據器件配置是常開 (NO) 還是常閉 (NC),將適當的逆變和非逆變訊號傳送到 MOSFET 柵極。
圖 1:簡單 SPST 模擬開關的高階表示。單個觸點根據控制輸入訊號 IN 的狀態來接通和斷開
理想情況下,模擬開關應具有儘可能低的開關電阻 (RON)。實現方法是設計 CMOS 開關,透過增加 MOSFET 漏極/源極面積,為電子流動創造更多表面積並降低導通電阻。但是,增加表面積具有增大寄生電容的缺點。在較高頻率下,此寄生電容可能成為一個問題,即形成低通濾波器從而導致失真。電容器還會因充電和放電時間而導致傳播延遲。
在為給定應用選擇 CMOS 開關時,權衡 RON 與寄生電容是關鍵。並非每個應用都需要低 RON,並且在某些情況下,模擬開關與電阻負載串聯,使得 RON 可以忽略不計。但對於影片訊號,權衡 RON 與寄生電容就變得很重要。隨著 RON 的減小,寄生電容會增加。這會切斷高頻訊號,導致頻寬降低或失真。
對於圖 1 所示的 NS5B1G384 案例而言,該器件具有 4.0 Ω(典型值)的較低 RON。寄生電容非常低,為 12 皮法 (pF),因而此開關可適用高至 330 MHz 的訊號。
要在兩個音訊訊號輸出之間切換音訊輸入訊號,須將音訊輸入連線到兩個 NS5B1G384 開關的 COM 引腳。將每個開關的 NC 引腳連線到其各自的變換器,例如耳機和揚聲器。請注意,一次只能選擇一個 IN 引腳。
在此配置中,模擬開關的導通時間和關斷時間變得很重要。對於 NS5B1G384,導通時間為 6.0 納秒 (ns),關斷時間為 2.0 ns。使用多個開關時,更快的關斷時間可實現先開後合功能。這確保了在連線一個開關之前先斷開另一個開關,從而防止兩個負載同時連線。這還減少了在切換音訊訊號時不時在音訊裝置上聽到的爆音。
另一種在兩個音訊訊號輸出之間切換的替代解決方案是使用兩個 SPDT 模擬開關。例如,Analog Devices 的 ADG884BCPZ-REEL 在一個封裝中包含了兩個 SPDT 模擬開關。使用 5 V 電源時,兩個開關的 RON 都很低,介於 0.28 Ω(典型值)和 0.41 Ω(最大值)之間,因而適合低損耗音訊訊號切換。但如此低的 RON 也要付出代價。開關開啟時,模擬開關觸點之間的寄生電容為 295 pF。
ADG884 可透過開關處理 400 mA 電流,因而適合從音訊放大器直接驅動揚聲器(圖 2)。
圖 2:該基本電路使用單個 Analog Devices ADG884 在兩個音訊輸出裝置之間切換
為了最大限度降低 EMI 將噪聲注入音訊輸出的可能性,音訊放大器在印刷電路板上的位置應儘可能靠近 ADG884。耳機插孔也應儘可能靠近 ADG884。如果揚聲器不使用插孔,則應在 ADG884 和揚聲器之間使用遮蔽音訊線。
如果音訊輸入訊號為差分對,則訊號對 S1A/S1B、S2A/S2B 和 D1/D2 在印刷電路板上的佈線位置應彼此相鄰,以抵消任何共有干擾,進而消除揚聲器或耳機的噪
在切換音訊和影片訊號時,難點在於如何避免引入噪聲,以及因裝置電阻或附帶電容導致的訊號損失。雖然 CMOS 模擬開關既有效又高效,但設計人員需要了解關鍵的引數折衷才能正確使用它們。在音訊或影片訊號源間切換可能非常棘手。大多數機械開關或繼電器並非為切換多媒體訊號而設計,並且可能產生干擾,例如較大的爆音或視覺干擾。開關電路可以從頭設計,但這會增加設計複雜性和時間。
為解決此問題,可以使用簡單的 CMOS 模擬開關。它們的工作原理與小型半導體繼電器相似,允許電流在兩個方向流動,且損耗較低。憑藉先開後合和低導通電阻等特性,可消除切換期間的音訊或視覺噪聲,同時減少訊號損失。但在實踐中,在使用模擬開關之前,設計人員還需要考慮各種規格的權衡。本文將首先討論模擬開關基礎知識和相關的設計權衡,然後介紹合適的解決方案及其使用方法。
模擬開關使用並行的 P 溝道 MOSFET 與 N 溝道 MOSFET 來建立雙向開關。ON Semiconductor 的 NS5B1G384 SPST 常閉模擬開關便是一個簡單的 CMOS 模擬開關示例(圖 1)。控制輸入根據器件配置是常開 (NO) 還是常閉 (NC),將適當的逆變和非逆變訊號傳送到 MOSFET 柵極。
圖 1:簡單 SPST 模擬開關的高階表示。單個觸點根據控制輸入訊號 IN 的狀態來接通和斷開
理想情況下,模擬開關應具有儘可能低的開關電阻 (RON)。實現方法是設計 CMOS 開關,透過增加 MOSFET 漏極/源極面積,為電子流動創造更多表面積並降低導通電阻。但是,增加表面積具有增大寄生電容的缺點。在較高頻率下,此寄生電容可能成為一個問題,即形成低通濾波器從而導致失真。電容器還會因充電和放電時間而導致傳播延遲。
在為給定應用選擇 CMOS 開關時,權衡 RON 與寄生電容是關鍵。並非每個應用都需要低 RON,並且在某些情況下,模擬開關與電阻負載串聯,使得 RON 可以忽略不計。但對於影片訊號,權衡 RON 與寄生電容就變得很重要。隨著 RON 的減小,寄生電容會增加。這會切斷高頻訊號,導致頻寬降低或失真。
對於圖 1 所示的 NS5B1G384 案例而言,該器件具有 4.0 Ω(典型值)的較低 RON。寄生電容非常低,為 12 皮法 (pF),因而此開關可適用高至 330 MHz 的訊號。
要在兩個音訊訊號輸出之間切換音訊輸入訊號,須將音訊輸入連線到兩個 NS5B1G384 開關的 COM 引腳。將每個開關的 NC 引腳連線到其各自的變換器,例如耳機和揚聲器。請注意,一次只能選擇一個 IN 引腳。
在此配置中,模擬開關的導通時間和關斷時間變得很重要。對於 NS5B1G384,導通時間為 6.0 納秒 (ns),關斷時間為 2.0 ns。使用多個開關時,更快的關斷時間可實現先開後合功能。這確保了在連線一個開關之前先斷開另一個開關,從而防止兩個負載同時連線。這還減少了在切換音訊訊號時不時在音訊裝置上聽到的爆音。
另一種在兩個音訊訊號輸出之間切換的替代解決方案是使用兩個 SPDT 模擬開關。例如,Analog Devices 的 ADG884BCPZ-REEL 在一個封裝中包含了兩個 SPDT 模擬開關。使用 5 V 電源時,兩個開關的 RON 都很低,介於 0.28 Ω(典型值)和 0.41 Ω(最大值)之間,因而適合低損耗音訊訊號切換。但如此低的 RON 也要付出代價。開關開啟時,模擬開關觸點之間的寄生電容為 295 pF。
ADG884 可透過開關處理 400 mA 電流,因而適合從音訊放大器直接驅動揚聲器(圖 2)。
圖 2:該基本電路使用單個 Analog Devices ADG884 在兩個音訊輸出裝置之間切換
為了最大限度降低 EMI 將噪聲注入音訊輸出的可能性,音訊放大器在印刷電路板上的位置應儘可能靠近 ADG884。耳機插孔也應儘可能靠近 ADG884。如果揚聲器不使用插孔,則應在 ADG884 和揚聲器之間使用遮蔽音訊線。
如果音訊輸入訊號為差分對,則訊號對 S1A/S1B、S2A/S2B 和 D1/D2 在印刷電路板上的佈線位置應彼此相鄰,以抵消任何共有干擾,進而消除揚聲器或耳機的噪