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:
- NE / SA5532A amplificador operacional dual de bajo ruido (hoja de datos)
- Interruptor CMOS analógico HEF4053B (hoja de datos)
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:
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.
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.
Respuestas:
Alternativa:
simular este circuito : esquema creado con CircuitLab
Desventajas
Ventajas:
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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: -
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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Después de hacer algunas simulaciones, he elaborado, modificado y ajustado la solución de τεκ con muy buenos resultados:
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.
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