เสียงรบกวนต่ำ, เพล็กซ์แบบอะนาล็อกความเพี้ยนต่ำ

ฉันพยายามออกแบบเสียงรบกวนต่ำ, ความเพี้ยนต่ำ, วงจร op-amp ราคาประหยัดสำหรับสัญญาณอนาล็อก (เสียง) แบบมัลติเพล็กซ์ ประสบการณ์การวิจัยและการทดลองบางอย่างทำให้ฉันได้รับส่วนประกอบต่อไปนี้พร้อมกับแหล่งจ่ายไฟที่มีเสียงรบกวนต่ำ:

• NE / SA5532A op-amp เสียงรบกวนต่ำสองแผ่น (แผ่นข้อมูล)
• CMOS แบบอะนาล็อก HEF4053B อนาล็อก(แผ่นข้อมูล)

คำถามนี้มีสาระสำคัญเกี่ยวกับการรวมสวิตช์ ฉันรู้ว่ารีเลย์เป็นอีกทางเลือกหนึ่งของสวิตช์ CMOS แต่ในราคาประมาณ 5 ถึง 10 เท่าของราคาพวกเขาไม่ใช่ตัวเลือกในการออกแบบนี้

มีการปรับคำถามกับคำตอบที่เหมาะสมเกี่ยวกับวงจร op-amp กับ (เลือก) กําตัวแปรเช่นที่นี่ คำถามนี้ไม่เกี่ยวกับปัญหานี้ตามที่ชื่อแนะนำ แต่อดทนกับฉันและให้ฉันทำอย่างละเอียดในการแนะนำ

พิจารณาวงจรนี้ด้วยการรับตัวแปร:

ตำแหน่งของสวิตช์ในวงจรนี้สมบูรณ์แบบ พวกมันอยู่ที่ระดับพื้นดินดังนั้นจึงไม่มีสิ่งชดเชยที่มีอิทธิพลต่อความต้านทานสวิตช์ ดังนั้นในตำแหน่งนี้สวิตช์จะไม่สร้างการบิดเบือนการมอดูเลต

ในเส้นทางของสัญญาณสวิทช์นั้นอยู่ห่างจากหมุดป้อนข้อมูลแอมป์ที่มีความอ่อนไหว สามารถตั้งค่า Rin, Rf, Rg1 และ Rg2 ได้ใกล้กับขาอินพุต หากสวิตช์นั้นอยู่ที่ด้านอินพุต op-amp จะไม่สามารถทำได้

ทีนี้ถึงคำถามที่แท้จริงของคำถามของฉัน นี่คือการกำหนดค่าที่เป็นไปได้ 4 แบบที่แตกต่างกันของอินพุตมัลติเพล็กซิ่งและไม่มีสิ่งใดที่เข้ามาใกล้กับการกำหนดค่าในอุดมคติด้านบนของโซลูชันอัตราขยายตัวแปร

วงจรรอบ U3 นั้นมีไว้เพื่อความสมบูรณ์ แต่เป็นสิ่งที่สมเหตุสมผลที่สุด

ในวงจรรอบ U2 และ U4 สวิตช์จะเห็นระดับแรงดันไฟฟ้าผันแปรและจะนำไปสู่การบิดเบือนการมอดูเลต

วงจรรอบ U1 มีสวิทช์ที่กราวด์เสมือน แต่ตำแหน่งของมันก็อยู่ที่ขาอินพุตกลับหัว ฉันได้ใช้สิ่งนี้ในอดีตและจากประสบการณ์เค้าโครงนี้นำไปสู่ความไวเสียงรบกวนสูง ฉันไม่ได้พูดถึงเสียงรบกวนของวงจร แต่เป็นเสียงรบกวนจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โดยรอบ

คำถามของฉันคือถ้าใครมีประสบการณ์กับการแลกเปลี่ยนที่ดีที่สุดที่สามารถทำได้หรือสามารถแนะนำเทคนิคใด ๆ ที่สามารถหลีกเลี่ยงข้อเสียรวมที่นี่หรือสามารถแนะนำแผนผังที่ฉลาดและแตกต่างที่บรรลุเป้าหมายเดียวกัน

แก้ไข

ในคำตอบและความคิดเห็นหลายประเด็นของปัญหาหลักได้สัมผัส ในสาระสำคัญฉันถามเกี่ยวกับทอพอโลยีที่ดีที่สุดและมันได้เลื่อนไปสู่คุณสมบัติของสวิทช์ (บนความต้านทาน, on-linearity, off-capacitance) และผลข้างเคียงของการตั้งค่าการผสม ..

ฉันตระหนักดีถึงปัญหาเหล่านี้ทั้งหมดและฉันอาจใช้คำถามที่เกินความจริงเพื่อความชัดเจนและมุ่งเน้น

Andy aka ได้ยกข้อควรพิจารณาที่มีค่าซึ่งฉันจะดำเนินการต่อไป แต่การแก้ปัญหาที่แนะนำนั้นเป็นสิ่งที่ฉันทำในอดีตโดยไม่ประสบความสำเร็จเท่าที่ฉันหวังไว้

τεκเพิ่มทางเลือกที่เรียบง่าย แต่น่าสนใจที่ฉันจะพิจารณาด้วย

ข้อสรุประดับกลางของฉันคือฉันจะพยายามดึงหนังสือเสียงของ Douglas Self ออกมา ฉันจะขุดเข้าไปในคุณสมบัติสวิตช์และ FET และลองจำลองผลกระทบของพวกเขาในโทโพโลยีต่างๆ นั่นอาจนำไปสู่ข้อมูลเชิงลึกใหม่และฉันจะรายงานกลับ ฉันจะสร้างต้นแบบโซลูชันที่แตกต่างกันอย่างแน่นอนในที่สุด ดังนั้นอาจใช้เวลาสักครู่ แต่ฉันจะกลับมาพร้อมข้อมูลเชิงลึกใหม่และรายงานกลับ

ทางเลือก:

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

ข้อเสีย:

• อินพุตรั่วผ่านตามอัตราส่วนของความต้านทานต่อ Rg
• ความจุนอกสถานะสามารถทำให้เกิดการบิดเบือนการตอบสนองความถี่

ข้อดี:

• การสลับเป็นเส้นตรงในสถานะนั้นไม่สำคัญ
• การปิดสถานะต้านทานมักจะสูงจนสามารถเพิกเฉยได้
• หากแรงดันไฟฟ้าต่ำพอสวิตช์จะเป็น MOSFET เดียว

แง่มุมหนึ่งที่คุณยังไม่ได้พิจารณาก็คือเมื่อใช้ตัวผสมการสลับโหนดการผสมคือโลกเสมือนดังนั้นคุณ "มิกซ์" กระแสอินพุตและ "การจม" ในปัจจุบันของอินพุตแต่ละอันลงในโลกเสมือน สิ่งนี้ให้ประโยชน์ที่สำคัญอย่างหนึ่ง: -

Very little cross talk between one input signal and another.

กล่าวอีกนัยหนึ่งสัญญาณอินพุตแทบจะไม่ได้รับสัญญาณที่ไม่เป็นระเบียบ - จากสัญญาณอินพุตอื่น ๆ สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้นกับตัวผสม op-amp ที่ไม่กลับด้านเนื่องจากระดับสัญญาณขึ้นอยู่กับกันและกันและความต้านทานแหล่งสัญญาณของสัญญาณอื่น ๆ ที่เชื่อมต่อด้วยวิธีนี้ ซึ่งจะทำให้ U1 หรือ U2 เป็นผู้แข่งขันหลัก: -$^1$

ในเครื่องผสมแบบนี้การผสมโหนดจะทนทุกข์ทรมานจากอินพุตทั้งหมดที่เชื่อมต่อกับมันดังนั้นฉันจะไปหาวงจรที่ใช้ U1 ใช่จะมีความจุมากขึ้นกับกราวด์ที่มิกซ์โหนดและสิ่งนี้จะทำให้เกิดเสียงรบกวนความถี่สูง แต่จะมีสัญญาณอินพุตจำนวนมากและเป็นปัญหาที่ผู้ผสมสัญญาณทั้งหมดต้องเลือก op-amp ที่มีเสียงรบกวนต่ำ ความหนาแน่นของแรงดันไฟฟ้าและเตรียมที่จะเพิ่มตัวเก็บประจุแบบขนานทั่ว Rf

คุณต้องจำไว้ว่าที่ความถี่เสียงสูงสวิตช์แบบอะนาล็อกจะไม่เปิดวงจรและอาจมีสัญญาณรบกวนของคลื่นความถี่สูงจากสัญญาณเข้าที่ถูกปิดการใช้งาน

$^1$ฉันใช้คำว่า "แทบจะไม่" เพราะเมื่อใช้แอมป์จะได้รับผลกำไรที่แน่นอน (และไม่มีที่สิ้นสุด) และจุดรวมของโลกเสมือนจะกลายเป็นสิ่งที่เป็นนามธรรมเล็กน้อย ซึ่งหมายความว่าโลกเสมือนจริงอาจมีขนาดไม่กี่ mV pp และที่ความถี่สูงกว่า (ซึ่งการลดลงของการขยายวง op-amp open-loop) อาจเป็น 10 mVp-p มันยังดีกว่าโหนดการรวมข้อที่ไม่ใช่การย้อนกลับอย่างมาก

หลังจากทำแบบจำลองบางอย่างที่ฉันได้อธิบายอย่างแท้จริงแล้วสร้างและปรับแต่งโซลูชันของ with ด้วยผลลัพธ์ที่ดีมาก:

NE5532 เป็น opamp จริงที่ฉันใช้ อย่ารังเกียจ FET ในแผนผัง ฉันได้ทดสอบกับ FET หลายช่วงตั้งแต่ Rdson = 40 mOhm ถึง 10 mOhm และ crosstalk นั้นยอมรับได้เพียง 10 mOhm FET สิ่งเหล่านี้หาง่าย ใจพวกเขาจะต้องเปิดอย่างเต็มที่กับ 4.5V เพราะฉันต้องการควบคุมสิ่งนี้จาก withC ด้วยเอาท์พุทตัวเก็บประจุ open 5V ใจกว้าง

การออกแบบนี้ประกอบด้วยเสียงรบกวนและเสียงไขว้กัน ตัวต้านทานทุกขนาดพร้อมกันและเป็น R13 และ R16 เมื่อเทียบกับ Rdson ที่กำหนด crosstalk (รั่ว) ในขณะที่มันยังเป็น R13, R15, R16, R18 ที่กำหนดเสียงความร้อน การเปลี่ยนจาก 1k ohm เป็น 2k ohm สามารถได้ยินได้ชัดเจน

เห็นได้ชัดว่าไม่สามารถใช้งานได้กับระบบคู่ DC ทุกอย่างอยู่ตรงกลางทางรถไฟในการทำงานของ FET

Decoupling รางกลางที่ดีมากเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเพื่อไม่ให้มีผลกระทบจากวงจรโดยรอบ

แต่วงจรข้างต้นที่มีทั้งหมดเป็นทวีคูณทวีคูณโดยไม่มีการบิดเบือนเสียงใด ๆ กับเสียงรบกวนน้อยที่สุดและ crosstalk

ในกรณีที่ทุกคนสงสัยว่ามี R14 และ R17 เพื่อกำหนดแรงดันไฟฟ้าที่ท่อระบายน้ำของ FET มิฉะนั้นแรงดันไฟฟ้านี้จะขึ้นอยู่กับการรั่วไหลของตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้ง

โปรดทราบว่ารุ่นมัลติเพล็กเซอร์นี้มีข้อเสียอย่างหนึ่งที่ยากต่อการแก้ไข: เอาต์พุตจะหยุดอย่างมากเมื่อปิด FET ใด ๆ นี่เป็นเพราะอคติ DC ถูกรบกวนโดยการดึงท่อระบาย FET ลงสู่พื้น การเปลี่ยนผ่านหมวกคลัปปลิ้งก่อนที่จะถึงจุดสมดุลใหม่ แต่มันไม่ใช่ปัญหาในแอปพลิเคชันของฉันเนื่องจากเอาต์พุตจะถูกปิดเสียงแบบดิจิทัลในระหว่างการสลับมัลติเพล็กเซอร์

สำหรับราคาที่ฉันไม่สามารถจินตนาการได้ว่ามีทางเลือกที่ดีกว่าข้อเสียคือสามารถจัดการได้ในขณะที่เสียงรบกวนและเสียงเป็นสิ่งที่ดีที่สุด