저잡음, 저 왜곡 아날로그 멀티플렉싱

다중화 아날로그 (오디오) 신호를위한 저잡음, 저 왜곡, 저비용 op-amp 회로를 설계하려고합니다. 경험, 연구 및 일부 실험을 통해 적절한 저잡음 전원 공급 장치와 함께 다음 구성 요소로 이미 연결되었습니다.

• NE / SA5532A 듀얼 저잡음 연산 증폭기 (데이터 시트)
• HEF4053B 아날로그 CMOS 스위치 (데이터 시트)

이 질문은 본질적으로 스위치 통합에 관한 것입니다. 릴레이는 CMOS 스위치의 대안이지만 비용의 약 5-10 배는 실제로이 디자인의 옵션이 아니라는 것을 알고 있습니다.

(전환) 가변 이득, 예와 연산 증폭기 회로에 대한 재치있는 답변 좋은 질문이 계속있다 여기 . 이 질문은 제목에서 알 수 있듯이이 문제에 관한 것이 아닙니다. 그러나 나와 함께 견딜 수 있도록 소개하겠습니다.

가변 이득을 갖는이 회로를 고려하십시오.

이 회로에서 스위치의 위치는 완벽합니다. 이들은 접지 수준에 있으므로 오프셋이 스위치 저항에 영향을 미치지 않습니다. 결과적으로이 위치에서 스위치는 변조 왜곡을 생성하지 않습니다.

신호 경로에서 스위치는 민감한 연산 증폭기 입력 핀과도 떨어져 있습니다. Rin, Rf, Rg1 및 Rg2는 모두 입력 핀에 매우 가깝게 위치 할 수 있습니다. 스위치가 op-amp 입력 측에 있으면 불가능합니다.

이제 내 질문의 핵심입니다. 여기에 입력 멀티플렉싱의 4 가지 가능한 구성이 있으며, 이들 중 어느 것도 가변 이득 솔루션의 이상적인 구성에 근접하지 않습니다.

U3 주변의 회로는 완전성을 위해 존재하지만 가장 합리적입니다.

U2 및 U4 주변의 회로에서 스위치는 가변 전압 레벨을보고 변조 왜곡을 유발합니다.

U1 주변 회로는 가상 접지에 스위치가 있지만 그 위치는 반전 입력 핀에도 있습니다. 나는 과거와 경험에서 이것을 구현 했으며이 레이아웃은 높은 노이즈 감도로 이어집니다. 나는 회로의 고유 잡음이 아니라 주변 전자 장치의 잡음에 대해 이야기하고 있습니다.

내 질문은 누군가가 만들 수있는 최상의 트레이드 오프 경험이 있거나 여기에 요약 된 단점을 피할 수있는 트릭을 제안하거나 동일한 목표를 달성하는 영리하고 다른 회로도를 제안 할 수 있는지 여부입니다.

편집하다

답변과 의견에서 주요 이슈의 여러 측면이 다루어졌습니다. 본질적으로, 나는 최고의 토폴로지에 대해 묻고 있었고 스위치 구성 (온-저항, 온-라인, 오프 커패시턴스) 및 믹싱 구성의 부작용 (스위칭시 노드 충전으로 인한 플롭스 발생), 크로스 토크 (crosstalk)로 향했다. ..

나는 이러한 모든 문제를 잘 알고 있으며 명확성과 초점을 위해 질문을 지나치게 단순화했을 수도 있습니다.

Andy 일명은 내가 더 추구 할 귀중한 고려 사항을 제기했지만 제안 된 해결책은 내가 과거에했던 것과 똑같이 내가 기대했던 것보다 덜 성공한 것입니다.

τεκ는 간단하지만 흥미로운 대안을 제시했습니다.

중간 결론은 Douglas Self 오디오 북을 붙잡 으려고 노력한다는 것입니다. 스위치 및 FET 속성을 파고 다른 토폴로지에서 그 효과를 시뮬레이션하려고합니다. 새로운 통찰력으로 이어질 수 있으며 다시보고하겠습니다. 결국 다른 솔루션을 프로토 타이핑 할 것입니다. 시간이 좀 걸리 겠지만 새로운 통찰력으로 돌아와서 다시보고하겠습니다.

대안 :

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}

단점 :

• Rg에 대한 저항의 비율에 따라 입력 누출
• 오프 상태 정전 용량은 주파수 응답 왜곡을 유발할 수 있습니다

장점 :

• 스위치 온 상태 선형성은 중요하지 않습니다.
• 스위치 오프 상태 저항은 일반적으로 너무 높아 무시할 수 있습니다.
• 입력 전압이 충분히 낮 으면 스위치는 단일 MOSFET이 될 수 있습니다.

고려하지 않은 한 가지 측면은 인 버팅 믹서의 경우 믹싱 노드 가 가상 접지이므로 입력 전류를 "혼합"하고 각 입력의 현재 "싱크"를 가상 접지에 "혼합"한다는 것입니다. 이것은 한 가지 주요 이점을 제공합니다.-

Very little cross talk between one input signal and another.

$^1$

이와 같은 믹서에서 믹싱 노드는 연결된 모든 입력으로 인해 많은 고통을 겪으므로 U1을 사용하는 회로로 갈 것입니다. 예, 믹싱 노드에서 접지에 대한 커패시턴스가 더 높아져 고주파 노이즈가 발생하지만 많은 입력이 발생하므로 모든 anlogue 믹서가 직면하는 문제이므로 입력 노이즈가 낮은 op-amp를 선택하십시오 전압 밀도와 Rf 양단에 병렬 커패시터를 추가 할 준비를합니다.

또한 높은 오디오 주파수에서 아날로그 스위치는 개방 회로가 아니며 꺼진 것으로 간주되는 입력의 일부 스펙트럼 노이즈가 여전히 들릴 수 있음을 기억해야합니다.

$^1$

몇 가지 시뮬레이션을 한 후에 실제로 τεκ의 솔루션을 정교하게 작성하고 조정하여 매우 좋은 결과를 얻었습니다.

NE5532는 내가 사용한 실제 opamp입니다. 회로도의 FET는 신경 쓰지 마십시오. Rdson = 40 mOhm ~ 10 mOhm 범위의 여러 FET로 테스트했으며 크로스 토크는 10 mOhm FET에만 허용됩니다. 그래도 쉽게 찾을 수 있습니다. 5V 허용 개방형 콜렉터 출력을 갖는 µC에서 이것을 제어하기 때문에 4.5V로 완전히 개방해야합니다.

이 디자인은 노이즈와 크로스 토크 사이에 적합합니다. 저항은 모든 스케일을 동시에 조정하며 R13 및 R16 대 Rdson은 누화 (누설)를 결정하는 반면 R13, R15, R16, R18은 열 잡음을 결정합니다. 1k ohm에서 2k ohm으로의 변경은 분명하게 들립니다.

이것은 DC 커플 링 시스템에서는 작동하지 않으며 FET의 기능에 따라 미드 레일 바이어스가 이루어집니다.

주변 회로의 영향을받지 않으려면 매우 우수한 미드 레일 디커플링이 매우 중요합니다.

그러나 위의 회로도는 잡음과 누화를 최소화하면서 가청 왜곡없이 멀티 플랙스를 조정하는 것입니다.

궁금한 점이 있으시면 R14 및 R17이 FET의 드레인에서 전압을 정의하기 위해 있습니다. 그렇지 않으면이 전압은 커플 링 커패시터의 누설에 따라 달라집니다.

이 멀티플렉서 버전은 해결하기 어려운 한 가지 큰 단점이 있습니다. FET를 닫을 때 출력이 급격히 떨어집니다. 이는 FET 드레인을 접지로 끌어 당겨 DC 바이어스를 교란시키기 때문입니다. 이는 새로운 평형에 도달하기 전에 커플 링 캡을 통해 전환됩니다. 그러나 멀티플렉서 전환 중에 출력이 잠시 디지털 방식으로 음소거되므로 응용 프로그램에서 문제가되지 않습니다.

가격면에서 더 나은 대안이 있다고 생각할 수는 없지만 단점은 관리 가능하지만 소음과 소리는 최고입니다.