Wykorzystanie przełączników półprzewodnikowych do komutacji sygnałów audio-wideo

Przełączniki mechaniczne lub przekaźniki elektromagnetyczne nie nadają się do przełączania sygnałów audio-wideo, bo komutacja za ich pomocą wprowadza zakłócenia takie jak trzaski lub widoczne zakłócenia w treści obrazu. Do takich celów wykorzystuje się specjalizowane półprzewodnikowe układy przełączające wykonane w technologii CMOS, gdzie za komutację odpowiadają tranzystory MOSFET.

Zapewniają one dwustronny przepływ prądu przy małych stratach wtrąconych, a proces przełączania może być oparty na schemacie break-before-make, tj. zapewniające połączenie obwodu wyjściowego przed rozłączeniem wejściowego, co zapewnia możliwość uniknięcia trzasków.

Podstawy komutacji sygnałów analogowych

 

Rys. 1. Schemat blokowy prostego przełącznika analogowego typu SPST (z jedną parą styków) sterowanych za pomocą stanu logicznego na wejściu IN

Półprzewodnikowy przełącznik analogowy wykorzystuje parę tranzystorów MOSFET: N-kanałowy połączony równolegle z drugim kanałem typu P, co umożliwia realizację przełącznika dwukierunkowego. Przykładem takiego rozwiązania wykonanego w technologii CMOS jest NS5B1G384 SPST firmy ON Semiconductor (rys. 1) z wyjściem typu NC (normalnie zamknięty). Zawarty w nim układ sterujący tranzystorami generuje odpowiednie sygnały odwracające i nieodwracające do bramek MOSFET, wymuszając odpowiednie otwarcie lub zamknięcie kanałów w obu tranzystorach przełączających.

W idealnym przypadku przełącznik analogowy powinien mieć jak najmniejszą rezystancję w stanie załączonym (R_ON). Osiąga się to poprzez takie wykonanie struktury CMOS, aby obszary drenu i źródła w MOSFET-ach były jak największe, dzięki czemu rezystancja kanału w stanie przewodzenia jest minimalna. Jednak zwiększanie rozmiaru powierzchni struktury prowadzi też do zwiększenia pojemności pasożytniczych.

Przy wyższych częstotliwościach ten dodatkowy kondensator może stać się problemem, bo tworzy filtr dolnoprzepustowy, który powoduje zniekształcenia charakterystyki częstotliwościowej. Kondensator powoduje również opóźnienie propagacji sygnału spowodowane czasem jego ładowania i rozładowania, a wielkość tego opóźnienia zależy od rezystancji obciążenia i R_ON i jest określana przez t = (R_ON + R_L)·C, gdzie R_L to rezystancja obciążenia.

Stąd zachowanie kompromisu między R_ON a pasożytniczą pojemnością jest kluczowe przy wyborze przełącznika CMOS do danej aplikacji. Nie zawsze wymagana jest niska wartość rezystancji szeregowej, a w niektórych przypadkach przełącznik analogowy jest połączony szeregowo z obciążeniem rezystancyjnym o dużej wartości, co powoduje, że jego R_ON jest pomijalna.

Jednak w przypadku sygnałów wideo duża pasożytnicza pojemność odcina wysokie częstotliwości, co skutkuje mniejszą przepustowością lub zniekształceniami. Stąd lepiej w tym przypadku sprawdzi się przełącznik o większej rezystancji.

W przypadku układu NS5B1G384 pokazanego na rysunku 1 R_ON jest umiarkowanie niska 4,0 Ω (typowo), a pojemność pasożytnicza jest bardzo mała - 12 pF. Oznacza to, że przełącznik ten może być wykorzystywany dla sygnałów z pasmem do 330 MHz.

Przełączanie sygnałów audio

 

Rys. 2. Poglądowy schemat użycia przełącznika ADG884 do przełączania między dwoma wyjściami audio

Typowe rozwiązanie przełączania dwóch źródeł sygnału audio wymaga użycia dwóch przełączników NS5B1G384, z których każdy obsługuje pojedyncze źródło, np. głośnik lub zestaw słuchawkowy. Sterowanie polega na wybraniu jednego pinu IN naraz, niemniej w takiej konfiguracji odpowiednia kolejność włączania i wyłączania przełączników analogowych staje się ważna, po to, aby uniemożliwić załączenie drugiego obwodu przed odłączeniem pierwszego i tym samym uniknąć trzasków.

Alternatywnym rozwiązaniem przełączania między dwoma wyjściami sygnału audio jest użycie dwóch przełączników analogowych typu SPDT (z wyjściem przełączającym).

Przykładowy układ tego typu ADG- 884BCPZ-REEL firmy Analog Devices zawiera dwa przełączniki analogowe SPDT w jednym chipie. Przy zasilaniu napięciem 5 V zapewniają one bardzo niską wartość R_ON między 0,28 Ω (typowo) i 0,41 Ω (maks.), dzięki czemu nadają się do przełączania sygnałów audio przy niskich stratach.

Niemniej niska R_ON ma swoją cenę - pojemność pasożytnicza między stykami przełącznika analogowego przy włączonym przełączniku wynosi aż 295 pF. Warto zauważyć, że ADG884 jest w stanie przełączać sygnały do 400 mA, dzięki czemu nadaje się do przełączania bezpośrednio głośników na wyjściu wzmacniacza audio (rys. 2).

Aby zminimalizować możliwość indukowania zakłóceń EMI, wzmacniacz audio powinien być umieszczony na płytce jak najbliżej przełącznika ADG884. Gniazdo słuchawkowe powinno być również zlokalizowane jak najbliżej ADG884, ewentualnie należy użyć ekranowanego kabla między ADG884 a innymi elementami w torze sygnałowym.

W przypadku, gdy sygnały audio przesyłane są w postaci różnicowej, poszczególne pary S1A-B, S2A-B i D1-2 powinny być prowadzone na płytce blisko siebie, aby wyeliminować wszelkie zakłócenia wspólne, np. te indukowane z umieszczonego obok głośnika.

Eliminacja trzasków w torze audio podczas przełączania

 

Rys. 3. MAX14594E ma dwa wewnętrzne rezystory bocznikowe 500 Ω, które rozładowują kondensatory wyjściowe wzmacniacza audio na pinach NO1 i NO2, aby nie było trzasków. Pozycje przełączników w tym przykładzie są pokazane dla niskiego stanu sygnału sterującego CB

Aby jeszcze bardziej poprawić jakość przełączanych sygnałów audio, a więc zwykle w przypadku, gdy do ich wyjścia dołączone są wzmacniacze dużej mocy, należy użyć rezystorów bocznikujących do eliminacji nagromadzonych ładunków w pojemnościach zawartych w torze sygnałowym. Aby uprościć to zadanie, niektóre przełączniki analogowe mają takie rezystory bocznikujące już wbudowane. Dobrym przykładem jest MAX14594EEWL+T DPDT firmy Maxim Integrated.

Aby wyeliminować trzaski podczas przełączania, MAX14594E realizuje komutację wg zasady "break-before-make", a także jak wspomniano, ma wewnętrzne rezystory bocznikowe do rozładowania kondensatorów wejściowych wzmacniacza audio po otwarciu przełączników (rys. 3).

MAX14594E ma wyjście typu DPDT (dwa styki przełączające), co pozwala wykorzystać go do jednoczesnego przełączania obu linii sygnałowych za pomocą pojedynczego wejścia sterującego CB. R_ON wynosi tutaj 0,25 Ω, a pojemność pasożytnicza 50 pF. W porównaniu do NS5B1G384, R_ON jest znacznie niższa, ale w kosztem wzrostu pojemności pasożytniczej.

Jak pokazano na rysunku 3, niski stan CB łączy odpowiednio NC1 i NC2 do COM1 i COM2. Jednocześnie łączy wyjście wzmacniacza audio NO1 i NO2 z rezystorami bocznikowymi. Dla wysokiego stanu CB, NO1 i NO2 są podłączone odpowiednio do COM1 i COM2, co również powoduje odłączenie rezystorów bocznikujących.

MAX14594E może być sterowany przez mikrokontroler, gdzie napięcie logiki GPIO wynosi 1,8 V lub więcej, ponieważ wejście sterujące CB ma 1,4-woltowy wysoki próg logiczny. Piny GPIO należy łączyć z użyciem kondensatora o pojemności około 0,1 μF między CB a masą, co wygładzi wszelkie stany nieustalone.

Komutacja sygnałów wideo

 

Rys. 4. QS4A110 to zintegrowany, podwójny przełącznik analogowy w konfi guracji 5PST zapewniający przełączanie sygnałów wideo przy szerokości pasma 1,8 GHz

Omawiane zagadnienie komplikuje się w przypadku przełączania sygnałów wideo, bo tutaj ważna jest niska wartość R_ON z powodu konieczności dopasowania impedancji oraz małe pojemności pasożytnicze pojemności z uwagi na ograniczenia szerokości pasma powodujące obniżenie jakości transmitowanego materiału.

W związku z tym zaleca się stosowanie układów z większą R_ON i odpowiednio niższą pojemnością pasożytniczą. Zmniejsza to jednak amplitudę sygnału wideo, którą należy skompensować przez dodanie dodatkowych wzmacniaczy oraz zmusza do zwrócenia uwagi na dobre dopasowanie falowe. Cenne w tym obszarze są układy o wysokiej skali integracji, bo zwykle przełącza się wiele sygnałów, a takie pozwalają uczynić projekt płytki drukowanej jak najmniejszym i zminimalizować straty sygnału.

Przykładowe rozwiązanie to QS4-A110QG firmy Integrated Device Technology (IDT). Jest to podwójny przełącznik analogowy w konfiguracji 5PST, przeznaczony do przełączania sygnałów wideo. Ma umiarkowanie niską wartość R_ON=5 Ω i niezwykle małą pojemność pasożytniczą - tylko 10 pF, co zapewnia obsługę sygnału wideo o paśmie 1,8 GHz (rys. 4).

Patrząc na rysunek 4 widzimy, że można go łatwo przerobić na pojedynczy 5PDT, łącząc sygnały A(x) i B(x) ze sobą, tak aby przełączane wyjścia były C lub D. Oba sygnały sterujące E1 # i E2 # są aktywne w stanie niskim, stąd do drugiego wejścia należy podać go przez inwerter. W układach, gdzie trzeba zapewnić wysoką szybkość przełączania, należy jeszcze zwrócić uwagę na czas propagacji sygnałów sterujących tak, aby nie powstała sytuacja niejednoczesności komutacji (wyścigu) między wyjściami przełącznika. Dodatkowy bufor nieodwracający sygnału na drugim wejściu wyrówna czas propagacji w takim przypadku.

QS4A110 ma czas włączenia rzędu 6 ns, a wyłączenia do 6,5 ns. W związku z tym czasy włączenia i wyłączenia w obwodzie są determinowane rezystancją przełącznika w stanie włączenia i istniejącymi w obwodzie pojemnościami.

Podsumowanie

Przełączniki analogowe wydają się proste w użyciu, ale nie są uniwersalne. Wymagają od konstruktora znalezienia kompromisu pomiędzy możliwie niską wartością R_ON i wyższą pojemnością pasożytniczą, lub wyższą R_ON i mniejszą pojemnością. Obie bezpośrednio wpływają na szerokość pasma komutowanych sygnałów. Stąd wybór konfiguracji i układu w największym stopniu determinują parametry projektowanej aplikacji.

Rich Miron
Digi-Key Electronics