noise rendah, distorsi analog multipleks rendah

Saya mencoba mendesain noise rendah, distorsi rendah, sirkuit op-amp berbiaya rendah untuk sinyal analog (audio) multiplexing. Pengalaman, penelitian, dan beberapa percobaan telah mengarahkan saya ke komponen berikut ini dalam kombinasi dengan catu daya rendah noise yang tepat:

• NE / SA5532A op-amp dual-noise rendah (datasheet)
• Sakelar CMOS analog HEF4053B (lembar data)

Pertanyaan ini pada intinya tentang mengintegrasikan saklar. Saya tahu bahwa relay adalah alternatif untuk switch CMOS, tetapi kira-kira 5 sampai 10 kali lipat biayanya tidak benar-benar menjadi pilihan dalam desain ini.

Ada beberapa pertanyaan bagus dengan jawaban yang masuk akal tentang rangkaian op-amp dengan gain variabel (yang dapat dialihkan), misalnya di sini . Pertanyaan ini bukan tentang masalah ini, seperti judulnya. Tetapi bersabarlah dan izinkan saya menjelaskannya sebagai pengantar.

Pertimbangkan rangkaian ini dengan penguatan variabel:

Posisi sakelar di sirkuit ini sangat sempurna. Mereka berada di permukaan tanah, jadi tidak ada offset yang memengaruhi resistansi sakelar. Akibatnya, pada posisi ini sakelar tidak menghasilkan distorsi modulasi.

Di jalur sinyal, sakelar juga jauh dari pin input op-amp yang sensitif. Rin, Rf, Rg1, dan Rg2 semuanya dapat ditempatkan sangat dekat dengan pin input. Jika sakelar berada di sisi input op-amp, ini tidak mungkin dilakukan.

Sekarang ke inti sebenarnya dari pertanyaan saya. Berikut adalah 4 konfigurasi yang mungkin dari multiplexing input dan tidak ada satupun yang mendekati konfigurasi ideal di atas dari solusi gain variabel.

Sirkuit di sekitar U3 ada untuk kelengkapan, tapi itu yang paling tidak masuk akal.

Di sirkuit di sekitar U2 dan U4, sakelar melihat level tegangan variabel dan itu akan menyebabkan distorsi modulasi.

Rangkaian di sekitar U1 memiliki sakelar di ground virtual, tetapi posisi mereka juga berada pada pin input pembalik. Saya telah menerapkan ini di masa lalu dan dari pengalaman, tata letak ini mengarah ke sensitivitas noise yang tinggi. Saya tidak berbicara tentang suara yang melekat pada rangkaian, tetapi suara dari elektronik di sekitarnya.

Pertanyaan saya adalah apakah ada yang punya pengalaman dengan trade-off terbaik yang dapat dibuat, atau dapat menyarankan trik yang dapat menghindari kerugian yang dirangkum di sini, atau dapat menyarankan skema cerdas dan berbeda yang mencapai tujuan yang sama.

sunting

Dalam jawaban dan komentar, beberapa aspek dari masalah utama tersentuh. Pada dasarnya, saya bertanya tentang topologi terbaik dan telah beralih ke sifat switch (on-resistance, on-linearity, off-kapasitansi) dan efek samping dari konfigurasi pencampuran (pengisian node menghasilkan plop ketika berpindah), crosstalk ,. ..

Saya menyadari semua masalah ini dan saya mungkin terlalu menyederhanakan pertanyaan demi kejelasan dan fokus.

Andy alias telah mengangkat pertimbangan berharga yang akan saya kejar lebih lanjut, tetapi solusi yang disarankan adalah persis seperti yang telah saya lakukan di masa lalu, dengan keberhasilan yang kurang dari yang saya harapkan.

τεκ mengangkat alternatif sederhana namun menarik yang juga akan saya perhatikan.

Kesimpulan antara saya adalah bahwa saya akan mencoba untuk mendapatkan buku audio Douglas Self. Saya akan menggali properti switch dan FET dan mencoba mensimulasikan efeknya di berbagai topologi. Itu mungkin mengarah pada wawasan baru dan saya akan melaporkan kembali. Saya akan secara pasti membuat prototipe solusi yang berbeda pada akhirnya. Jadi mungkin butuh waktu, tetapi saya akan kembali dengan wawasan baru dan melaporkan kembali.

Alternatif:

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Kekurangan:

• Input bocor melalui berdasarkan pada resistansi terhadap Rg
• Kapasitansi off-state dapat menyebabkan distorsi respons frekuensi

Keuntungan:

• Beralih pada linearitas tidak penting.
• Matikan resistensi negara biasanya sangat tinggi sehingga bisa diabaikan.
• Jika tegangan input cukup rendah, sakelar bisa berupa MOSFET tunggal.

Satu aspek yang belum Anda pertimbangkan adalah bahwa dengan mixer pembalik, simpul pencampur adalah bumi maya karenanya, Anda "mencampur" arus input dan setiap arus input "tenggelam" ke dalam bumi virtual. Ini memberikan satu manfaat utama: -

Very little cross talk between one input signal and another.

$^1$

Dalam mixer seperti ini, pencampuran-simpul banyak menderita dari semua input yang terhubung jadi saya akan pergi untuk rangkaian yang menggunakan U1. Ya, akan ada lebih banyak kapasitansi untuk membumikan pada node-pencampuran dan ini akan menyebabkan kebisingan frekuensi tinggi tetapi demikian akan memiliki banyak input dan itu adalah masalah yang dihadapi oleh semua mixer anlog jadi, pilih op-amp dengan noise input rendah kepadatan tegangan dan bersiaplah untuk menambahkan kapasitor paralel melintasi Rf.

Anda juga harus ingat bahwa pada frekuensi audio yang tinggi, sakelar analog bukan sirkuit terbuka dan beberapa noise spektrum tinggi dari input yang dianggap mematikan mungkin masih terdengar.

$^1$

Setelah melakukan beberapa simulasi, saya benar-benar menguraikan, membangun, dan men-tweak solusi τεκ dengan hasil yang sangat baik:

NE5532 adalah opamp aktual yang saya gunakan. Jangan pedulikan FET dalam skema. Saya telah menguji dengan beberapa FET mulai dari Rdson = 40 mOhm hingga 10 mOhm dan crosstalk hanya dapat diterima untuk FET 10 mOhm. Itu mudah ditemukan. Pikiran mereka harus sepenuhnya terbuka dengan 4.5V karena saya ingin mengontrol ini dari μC dengan 5V keluaran kolektor terbuka toleran.

Desain ini merupakan perpaduan antara kebisingan dan crosstalk. resistor semua skala secara bersamaan dan itu R13 dan R16 versus Rdson yang menentukan crosstalk (bocor) sementara itu juga R13, R15, R16, R18 yang menentukan kebisingan termal. Perubahan dari 1k ohm ke 2k ohm jelas terdengar.

Ini jelas tidak dapat bekerja untuk sistem DC coupled, semuanya bias di tengah rel pada fungsi FET.

Decoupling mid-rail yang sangat baik sangat penting untuk tidak memiliki pengaruh dari sirkuit di sekitarnya.

Tetapi skema di atas dengan semua itu tweaker multipleks tanpa distorsi yang dapat didengar, dengan kebisingan yang sangat minim dan crosstalk.

Jika ada yang bertanya-tanya, R14 dan R17 ada di sana untuk menentukan tegangan pada saluran FET. Kalau tidak, tegangan ini akan tergantung pada kebocoran kapasitor kopling.

Jangan pedulikan bahwa versi multiplexer ini memiliki satu kelemahan utama yang sulit untuk dipecahkan: outputnya sangat menurun ketika menutup salah satu FET. Ini karena bias DC terganggu dengan menarik drain FET ke ground. Ini transisi melalui topi kopling sebelum mencapai keseimbangan baru. Tetapi ini bukan masalah dalam aplikasi saya karena output akan secara digital dimatikan sebentar selama multiplexer switching.

Untuk harga saya tidak bisa membayangkan ada alternatif yang lebih baik, kelemahannya dapat dikelola, sementara kebisingan dan suara adalah yang terbaik.