在切換音頻和視頻信號時(shí)，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(jì)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(jì)，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(jì)，但這會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性和時(shí)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(gè)方向流動(dòng)，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(shí)減少信號損失。
但在實(shí)踐中，在使用模擬開關(guān)之前，設(shè)計(jì)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(shí)和相關(guān)的設(shè)計(jì)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)基礎(chǔ)知識(shí)
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(gè)簡單的 CMOS 模擬開關(guān)示例（圖 1）。控制輸入根據(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(gè)觸點(diǎn)根據(jù)控制輸入信號 IN 的狀態(tài)來接通和斷開。（圖片來源：ON Semiconductor）
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(shí)現(xiàn)方法是設(shè)計(jì) CMOS 開關(guān)，通過增加 MOSFET 漏極/源極面積，為電子流動(dòng)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(gè)問題，即形成低通濾波器從而導(dǎo)致失真。電容器還會(huì)因充電和放電時(shí)間而導(dǎo)致傳播延遲。該延遲取決于負(fù)載電阻和 RON，計(jì)算方法如下：
其中 RL = 負(fù)載電阻。
在為給定應(yīng)用選擇 CMOS 開關(guān)時(shí)，權(quán)衡 RON 與寄生電容是關(guān)鍵。并非每個(gè)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(jì)。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(huì)增加。這會(huì)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。
切換單一音頻來源
要在兩個(gè)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(gè) NS5B1G384 開關(guān)的 COM 引腳。將每個(gè)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(gè) IN 引腳。
在此配置中，模擬開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間變得很重要。對于 NS5B1G384，導(dǎo)通時(shí)間為 6.0 納秒 (ns)，關(guān)斷時(shí)間為 2.0 ns。使用多個(gè)開關(guān)時(shí)，更快的關(guān)斷時(shí)間可實(shí)現(xiàn)先開后合功能。這確保了在連接一個(gè)開關(guān)之前先斷開另一個(gè)開關(guān)，從而防止兩個(gè)負(fù)載同時(shí)連接。這還減少了在切換音頻信號時(shí)不時(shí)在音頻設(shè)備上聽到的爆音。
切換差分音頻信源
另一種在兩個(gè)音頻信號輸出之間切換的替代解決方案是使用兩個(gè) SPDT 模擬開關(guān)。例如，Analog Devices 的 ADG884BCPZ-REEL 在一個(gè)封裝中包含了兩個(gè) SPDT 模擬開關(guān)。使用 5 V 電源時(shí)，兩個(gè)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(jià)。開關(guān)打開時(shí)，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(dòng)揚(yáng)聲器（圖 2）。
圖 2：該基本電路使用單個(gè) Analog Devices ADG884 在兩個(gè)音頻輸出設(shè)備之間切換。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
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。
消除切換期間的爆音
為了進(jìn)一步提高使用高功率放大器時(shí)的開關(guān)音頻信號質(zhì)量，應(yīng)使用分流電阻器去除音頻放大器輸出端的任何累積電荷。為簡化此操作，一些模擬開關(guān)采用內(nèi)置的分流電阻器。Maxim Integrated 的 MAX14594EEWL+T DPDT 模擬開關(guān)就是一個(gè)很好的例子。
為了消除從音頻放大器切換時(shí)的爆音，MAX14594E 采用先開后合的操作設(shè)計(jì)，并提供內(nèi)部分流電阻器，以便在開關(guān)打開時(shí)對音頻放大器的輸入耦合電容器進(jìn)行放電（圖 3）。
圖 3：此電路中的 MAX14594E 帶有兩個(gè) 500 Ω 內(nèi)部分流電阻，可在引腳 NO1 和 NO2 處對音頻放大器的輸出電容器進(jìn)行放電，以防止發(fā)出可聞爆音。此應(yīng)用示例的開關(guān)位置如圖所示已拉低 CB。（圖片來源：Maxim Integrated）
MAX14594E 是一個(gè) DPDT 模擬開關(guān)，可以使用一個(gè)控制輸入 CB 同時(shí)切換兩路音頻信號。RON 為 0.25 Ω，寄生電容為 50 pF。請注意，與 NS5B1G384 相比，RON 要低得多，但寄生電容要高得多。
參考圖 3，CB 被拉低，以分別將 NC1 和 NC2 連接到 COM1 和 COM2。同時(shí)，它將 NO1 和 NO2 處的音頻放大器輸出連接到分流電阻器。當(dāng) CB 被拉高時(shí)，NO1 和 NO2 分別連接到 COM1 和 COM2，同時(shí)也斷開了分流電阻器。
MAX14594E 可由微控制器使用 1.8 伏或更高的 GPIO 電平進(jìn)行控制，因?yàn)?CB 具有 1.4 伏的邏輯高閾值。將 GPIO 引腳與 CB 引腳和接地之間約 0.1 微法 (μF) 的小電容器相連，可以消除任何瞬變。
切換視頻信號
當(dāng)切換視頻信號時(shí)，情況變得更加復(fù)雜。由于信號頻率更高，RON 與寄生電容的權(quán)衡變得非常重要。RON 較低的模擬開關(guān)具有更大的寄生電容，這會(huì)降低帶寬，并導(dǎo)致視頻質(zhì)量下降。
因此，建議使用 RON 較高且相應(yīng)的寄生電容較低的模擬開關(guān)進(jìn)行視頻切換。但這會(huì)降低視頻信號的幅度，因此必須通過增加額外的視頻放大器來進(jìn)行補(bǔ)償。由于可能需要一次切換多個(gè)高頻信號，因此必須使電路板設(shè)計(jì)盡可能緊湊，以避免信號損失。為此，選擇高度集成的模擬開關(guān)至關(guān)重要。
例如，Integrated Device Technology (IDT) 的 QS4A110QG 便是一款面向高速視頻信號切換應(yīng)用的雙 5PST 模擬開關(guān)。它具有 5 Ω 的較低 RON 和 10 pF 的極低寄生電容，可支持 1.8 GHz 的帶寬（圖 4）。
圖 4：QS4A110 是一款高度集成的雙 5PST 模擬開關(guān)，帶寬為 1.8 GHz，可用于切換視頻信號。（圖片來源：IDT）
從圖 4 可知，通過將 A(x) 和 B(x) 信號彼此連接，使得開關(guān)輸出非 C 即 D，可以很輕松地將其轉(zhuǎn)換為單 5PDT 開關(guān)。由于控制信號 E1# 和 E2# 均為低電平有效，將邏輯信號通過逆變器連接到一個(gè)控制信號，并通過非逆變緩沖器連接到另一個(gè)控制信號，便可實(shí)現(xiàn)輸出選擇。雖然非逆變緩沖器是可選的，但最好將其包括在內(nèi)，以防止開關(guān)輸出之間出現(xiàn)爭用狀況。
QS4A110 的導(dǎo)通時(shí)間為 6 ns，關(guān)斷時(shí)間為 6.5 ns（最大值）。 電路中的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間實(shí)際上是開關(guān)和負(fù)載電容的 RC 延遲。
總結(jié)
在電路設(shè)計(jì)中采用模擬開關(guān)看似輕松，但實(shí)際需要因地制宜。模擬開關(guān)中存在較低 RON 與較高寄生電容，或較高 RON 與較低寄生電容的權(quán)衡，這會(huì)直接影響其帶寬。針對目標(biāo)設(shè)計(jì)選擇具有合適特征的器件，才是至關(guān)重要的。
