multiplexación analógica de bajo ruido y baja distorsión

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Estoy tratando de diseñar un circuito de amplificador operacional de bajo ruido, baja distorsión y bajo costo para multiplexar señales analógicas (audio). La experiencia, la investigación y algunos experimentos ya me llevaron a los siguientes componentes en combinación con una fuente de alimentación adecuada de bajo ruido:

Esta pregunta se trata esencialmente de integrar el interruptor. Sé que los relés son una alternativa a los conmutadores CMOS, pero a un costo aproximado de 5 a 10 veces no son realmente una opción en este diseño.

Ha habido buenas preguntas con respuestas sensatas sobre circuitos de amplificador operacional con ganancia variable (conmutable), por ejemplo, aquí . Esta pregunta no es sobre este tema, como sugiere el título. Pero tengan paciencia conmigo y déjenme elaborarlo como introducción.

Considere este circuito con ganancia variable:

circuito de amplificador operacional de ganancia variable

La posición de los interruptores en este circuito es perfecta. Están a nivel del suelo, por lo que ningún desplazamiento influye en la resistencia del interruptor. Como resultado, en esta posición los interruptores no generan distorsión de modulación.

En la ruta de la señal, los interruptores también están lejos de los pines de entrada sensibles del amplificador operacional. Rin, Rf, Rg1 y Rg2 se pueden ubicar muy cerca de los pines de entrada. Si el interruptor estuviera en el lado de entrada del amplificador operacional, esto no sería posible.

Ahora al núcleo real de mi pregunta. Aquí hay 4 configuraciones posibles diferentes de multiplexación de entrada y ninguna de ellas se acerca a la configuración ideal anterior de la solución de ganancia variable.

4 configuraciones multiplex

El circuito alrededor de U3 está ahí para completar, pero es el menos sensato.

En los circuitos alrededor de U2 y U4, los interruptores ven un nivel de voltaje variable y eso conducirá a una distorsión de la modulación.

El circuito alrededor de U1 tiene los interruptores en tierra virtual, pero la posición de ellos también está en el pin de entrada inversora. He implementado esto en el pasado y, por experiencia, este diseño conduce a una alta sensibilidad al ruido. No estoy hablando del ruido inherente del circuito, sino del ruido de la electrónica circundante.

Mi pregunta es si alguien tiene experiencia con la mejor compensación que se puede hacer, o puede sugerir algún truco que pueda eludir las desventajas resumidas aquí, o puede sugerir un esquema inteligente y diferente que logre el mismo objetivo.


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En las respuestas y comentarios, se tocaron varios aspectos del tema principal. En esencia, estaba preguntando acerca de la mejor topología y ha derivado hacia las propiedades del interruptor (resistencia en línea, linealidad, capacitancia desactivada) y los efectos secundarios de la configuración de mezcla (la carga de nodos resulta en plops al cambiar), diafonía. ..

Soy muy consciente de todos estos problemas y podría haber simplificado demasiado la pregunta a favor de la claridad y el enfoque.

Andy alias ha planteado valiosas consideraciones que seguiré más allá, pero la solución sugerida es exactamente como lo hice en el pasado, con menos éxito de lo que esperaba.

τεκ planteó una alternativa simple pero interesante que también examinaré.

Mi conclusión intermedia es que intentaré conseguir el audiolibro Douglas Self. Voy a excavar en las propiedades de interruptor y FET e intentar simular su efecto en las diferentes topologías. Eso podría conducir a nuevas ideas y les informaré. Definitivamente voy a crear prototipos de diferentes soluciones al final. Por lo tanto, puede llevar algún tiempo, pero volveré con nuevas ideas e informaré.

Gommer
fuente
Las topologías inversoras cambian de ganancia con cambios en la resistencia del interruptor analógico. Las topologías no inversoras no se deben a la entrada de alta impedancia. (Al menos en un primer orden, puede obtener ligeros cambios en la respuesta de frecuencia, etc.) Entonces diría que la topología no inversora es la mejor opción para una baja distorsión. Las características de apagado de los otros conmutadores (canal no seleccionado) también son importantes en este caso).
John D
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Sin embargo, los que no invierten dejan la entrada flotando con ambos interruptores apagados; Puede haber algunos clics impresionantes al cambiar. Medio megaohmio a tierra puede ayudar ...
Brian Drummond
@BrianDrummond cierto, buen punto. Andy aka también hace un buen punto en su respuesta. Así que personalmente modelaría las características de los interruptores y ejecutaría algunas simulaciones para tener una idea de lo que funciona mejor. Creo que dependerá bastante de los detalles de los componentes.
John D
El primer paso para evitar que señales como esa se mezclen entre sí: verifique y vuelva a verificar su topología de conexión a tierra.
rackandboneman

Respuestas:

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Alternativa:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Desventajas

  • Las entradas se filtran en función de la relación de resistencia a Rg
  • La capacitancia en estado apagado puede causar distorsión de la respuesta de frecuencia

Ventajas:

  • Cambiar la linealidad en estado no es importante.
  • La resistencia de apagado es usualmente tan alta que puede ignorarse.
  • Si el voltaje de entrada es lo suficientemente bajo, el interruptor puede ser un solo MOSFET.
τεκ
fuente
¿No afectarían los interruptores a la ganancia del amplificador operacional? Si ambos están cerrados, entonces tenemos Rg / 4, uno cerrado Rg / 3, ambos abiertos Rg / 2.
Peter Camilleri
@PeterCamilleri es un amplificador sumador . La ganancia para cada entrada es Rf / Rg
τεκ
Mi único punto fue que los interruptores parecen cambiar el valor efectivo de Rg. Necesito estudiar esto un poco más.
Peter Camilleri
Tenga en cuenta que también puede combinar esto con el enfoque de andy aka (interruptores en serie con entradas) para suprimir el acoplamiento capacitivo de las señales no seleccionadas a la salida, para un mejor aislamiento a altas frecuencias.
jms
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Eche un vistazo al "diseño de audio de señal pequeña" de Douglas Selfs, profundiza en las opciones de cambio de estado sólido. También es posible que desee considerar jfets como elementos de conmutación que tienen la ventaja de ser conmutables de alguna manera suaves para minimizar los clics de la inyección de carga.
Dan Mills
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Un aspecto que no ha considerado es que con un mezclador inversor, el nodo de mezcla es una tierra virtual, por lo tanto, "mezcla" las corrientes de entrada y la corriente de cada entrada se "hunde" en una tierra virtual. Esto proporciona un beneficio importante: -

Very little cross talk between one input signal and another.

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ingrese la descripción de la imagen aquí

En un mezclador como este, el nodo de mezcla sufre mucho de todas las entradas que están conectadas, por lo que elegiría el circuito que usa U1. Sí, habrá más capacitancia a tierra en el nodo de mezcla y esto causará ruido de alta frecuencia, pero también habrá un montón de entradas y ese es un problema que enfrentan todos los mezcladores de análogo, así que elija un amplificador operacional con bajo ruido de entrada densidad de voltaje y prepárese para agregar un condensador paralelo a través de Rf.

También debe recordar que a altas frecuencias de audio, los interruptores analógicos no son circuitos abiertos y aún se puede escuchar algo de ruido de alto espectro de una entrada que se considera desactivada.


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Andy alias
fuente
+1 aunque "Esto no sucede en el mezclador de amplificador operacional no inversor" es un poco radical. El efecto se reduce a prácticamente cero puede ser una mejor manera de decirlo.
Trevor_G
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Sí, un poco de barrido. Voy a hacer las paces LOL
Andy alias
;) Mientras haces la respuesta perfecta, también vale la pena mencionar que ese efecto solo es cierto siempre que la salida no se sature. Una señal de entrada demasiado alta y todas las apuestas están desactivadas.
Trevor_G
Eso afecta a todos los ejemplos dados por el OP, por lo que no es necesario.
Andy alias
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¡Esta conversación de comentarios tiene el propósito de informar!
Andy alias
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Después de hacer algunas simulaciones, he elaborado, modificado y ajustado la solución de τεκ con muy buenos resultados:

ingrese la descripción de la imagen aquí

NE5532 es el amplificador operacional real que he usado. No importa el FET en el esquema. He probado con varios FET que van desde Rdson = 40 mOhm a 10 mOhm y la diafonía solo es aceptable para los FET de 10 mOhm. Sin embargo, esos son fáciles de encontrar. Tenga en cuenta que deben estar completamente abiertos con 4.5V ya que quiero controlar esto desde un µC con salidas de colector abierto tolerantes a 5V.

Este diseño es una compresión entre ruido y diafonía. todas las resistencias se escalan simultáneamente y son R13 y R16 versus Rdson lo que determina la diafonía (fuga) mientras que también son R13, R15, R16, R18 los que determinan el ruido térmico. El cambio de 1k ohm a 2k ohm es claramente audible.

Obviamente, esto no puede funcionar para sistemas acoplados a CC, todo está sesgado en el medio del carril en función de los FET.

El muy buen desacoplamiento del riel medio es extremadamente importante para no tener influencias de los circuitos circundantes.

Pero el esquema anterior con todos sus ajustes multiplex sin ninguna distorsión audible, con ruido y diafonía absolutamente mínimos.

En caso de que alguien se pregunte, R14 y R17 están allí para definir el voltaje en el drenaje de los FET. De lo contrario, este voltaje dependería de la fuga de los condensadores de acoplamiento.

Tenga en cuenta que esta versión de multiplexor tiene una desventaja importante que es difícil de resolver: la salida se desploma inmensamente al cerrar cualquiera de los FET. Esto se debe a que la polarización de CC se altera al tirar del drenaje FET al suelo. Esto pasa a través de las tapas de acoplamiento antes de alcanzar un nuevo equilibrio. Pero no es un problema en mi aplicación, ya que las salidas se silenciarán digitalmente brevemente durante la conmutación del multiplexor.

Por el precio, no puedo imaginar que haya mejores alternativas, los inconvenientes son manejables, mientras que el ruido y el sonido son de primera categoría.

Gommer
fuente
Me parece muy sospechoso que 1k sea óptimo.
τεκ
¿Cuidar de explicar por qué? La diafonía teórica es -100dB con 10 mOhm / 1k y definitivamente suena mejor que -90dB.
Gommer