如何使用模擬開關(guān)動態(tài)切換音頻和視頻信號

在切換音頻和視頻信號時，難點(diǎn)在于如何避免引入噪聲，以及因設(shè)備電阻或附帶電容導(dǎo)致的信號損失。雖然 CMOS 模擬開關(guān)既有效又高效，但設(shè)計人員需要了解關(guān)鍵的參數(shù)折衷才能正確使用它們。在音頻或視頻信號源間切換可能非常棘手。大多數(shù)機(jī)械開關(guān)或繼電器并非為切換多媒體信號而設(shè)計，并且可能產(chǎn)生干擾，例如較大的爆音或視覺干擾。開關(guān)電路可以從頭設(shè)計，但這會增加設(shè)計復(fù)雜性和時間。

為解決此問題，可以使用簡單的 CMOS 模擬開關(guān)。它們的工作原理與小型半導(dǎo)體繼電器相似，允許電流在兩個方向流動，且損耗較低。憑借先開后合和低導(dǎo)通電阻等特性，可消除切換期間的音頻或視覺噪聲，同時減少信號損失。但在實踐中，在使用模擬開關(guān)之前，設(shè)計人員還需要考慮各種規(guī)格的權(quán)衡。本文將首先討論模擬開關(guān)基礎(chǔ)知識和相關(guān)的設(shè)計權(quán)衡，然后介紹合適的解決方案及其使用方法。

模擬開關(guān)使用并行的 P 溝道 MOSFET 與 N 溝道 MOSFET 來創(chuàng)建雙向開關(guān)。ON Semiconductor 的 NS5B1G384 SPST 常閉模擬開關(guān)便是一個簡單的 CMOS 模擬開關(guān)示例(圖 1)?？刂戚斎敫鶕?jù)器件配置是常開 (NO) 還是常閉 (NC)，將適當(dāng)?shù)哪孀兒头悄孀冃盘柊l(fā)送到 MOSFET 柵極。

圖 1：簡單 SPST 模擬開關(guān)的高級表示。單個觸點(diǎn)根據(jù)控制輸入信號 IN 的狀態(tài)來接通和斷開

理想情況下，模擬開關(guān)應(yīng)具有盡可能低的開關(guān)電阻 (RON)。實現(xiàn)方法是設(shè)計 CMOS 開關(guān)，通過增加 MOSFET 漏極/源極面積，為電子流動創(chuàng)造更多表面積并降低導(dǎo)通電阻。但是，增加表面積具有增大寄生電容的缺點(diǎn)。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(dǎo)致失真。電容器還會因充電和放電時間而導(dǎo)致傳播延遲。

在為給定應(yīng)用選擇 CMOS 開關(guān)時，權(quán)衡 RON 與寄生電容是關(guān)鍵。并非每個應(yīng)用都需要低 RON，并且在某些情況下，模擬開關(guān)與電阻負(fù)載串聯(lián)，使得 RON 可以忽略不計。但對于視頻信號，權(quán)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。這會切斷高頻信號，導(dǎo)致帶寬降低或失真。

對于圖 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(guān)可適用高至 330 MHz 的信號。

要在兩個音頻信號輸出之間切換音頻輸入信號，須將音頻輸入連接到兩個 NS5B1G384 開關(guān)的 COM 引腳。將每個開關(guān)的 NC 引腳連接到其各自的變換器，例如耳機(jī)和揚(yáng)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(guān)的導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間變得很重要。對于 NS5B1G384，導(dǎo)通時間為 6.0 納秒 (ns)，關(guān)斷時間為 2.0 ns。使用多個開關(guān)時，更快的關(guān)斷時間可實現(xiàn)先開后合功能。這確保了在連接一個開關(guān)之前先斷開另一個開關(guān)，從而防止兩個負(fù)載同時連接。這還減少了在切換音頻信號時不時在音頻設(shè)備上聽到的爆音。

另一種在兩個音頻信號輸出之間切換的替代解決方案是使用兩個 SPDT 模擬開關(guān)。例如，Analog Devices 的 ADG884BCPZ-REEL 在一個封裝中包含了兩個 SPDT 模擬開關(guān)。使用 5 V 電源時，兩個開關(guān)的 RON 都很低，介于 0.28 Ω(典型值)和 0.41 Ω(最大值)之間，因而適合低損耗音頻信號切換。但如此低的 RON 也要付出代價。開關(guān)打開時，模擬開關(guān)觸點(diǎn)之間的寄生電容為 295 pF。

ADG884 可通過開關(guān)處理 400 mA 電流，因而適合從音頻放大器直接驅(qū)動揚(yáng)聲器(圖 2)。

如何使用模擬開關(guān)動態(tài)切換音頻和視頻信號

圖 2：該基本電路使用單個 Analog Devices ADG884 在兩個音頻輸出設(shè)備之間切換

為了最大限度降低 EMI 將噪聲注入音頻輸出的可能性，音頻放大器在印刷電路板上的位置應(yīng)盡可能靠近 ADG884。耳機(jī)插孔也應(yīng)盡可能靠近 ADG884。如果揚(yáng)聲器不使用插孔，則應(yīng)在 ADG884 和揚(yáng)聲器之間使用屏蔽音頻線。

如果音頻輸入信號為差分對，則信號對 S1A/S1B、S2A/S2B 和 D1/D2 在印刷電路板上的布線位置應(yīng)彼此相鄰，以抵消任何共有干擾，進(jìn)而消除揚(yáng)聲器或耳機(jī)的噪聲。