multiplexación analógica de bajo ruido y baja distorsión

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 de bajo ruido adecuada:

Esta pregunta es, en esencia, acerca de la integración del interruptor. Sé que los relés son una alternativa a los interruptores CMOS, pero con un costo de aproximadamente 5 a 10 veces mayor, no son realmente una opción en este diseño.

Ha habido buenas preguntas con respuestas sensatas sobre los circuitos de amplificadores operacionales con ganancia variable (conmutable), por ejemplo, aquí . Esta pregunta no se trata de este tema, como sugiere el título. Pero tengan paciencia conmigo y permítanme desarrollarlo como una 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 alejados de los pines de entrada sensibles del amplificador operacional. Rin, Rf, Rg1 y Rg2 pueden ubicarse 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 múltiplex

El circuito alrededor de U3 está ahí para completarlo, 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 modulación.

El circuito alrededor de U1 tiene los interruptores en tierra virtual, pero su posición también está en el pin de entrada inversor. 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 diferente e inteligente 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 sobre la mejor topología y se ha desviado hacia las propiedades del interruptor (resistencia activada, linealidad activada, capacitancia desactivada) y los efectos secundarios de la configuración de mezcla (la carga del nodo da como resultado ruidos sordos 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, también conocido como, planteó consideraciones valiosas que seguiré investigando, pero la solución sugerida es exactamente como lo hice en el pasado, con menos éxito del que esperaba.

τεκ planteó una alternativa simple pero interesante que también analizaré.

Mi conclusión intermedia es que intentaré hacerme con el audiolibro de Douglas Self. Profundizaré en las propiedades de interruptores y FET e intentaré simular su efecto en las diferentes topologías. Eso podría conducir a nuevos conocimientos y le informaré. Definitivamente estaré creando prototipos de diferentes soluciones al final. Por lo tanto, puede llevar algo de tiempo, pero volveré con nuevos conocimientos e informaré.

Las topologías inversoras cambian la 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.) Por lo tanto, diría que la topología no inversora es la mejor opción para una baja distorsión. Las características de apagado de los otros interruptores (canal no seleccionado) también son importantes en este caso).
Sin embargo, los no inversores dejan la entrada flotando con ambos interruptores apagados; puede haber algunos clics impresionantes al cambiar. Medio megaohmio a tierra puede ayudar...
@BrianDrummond cierto, buen punto. Andy alias también hace un buen punto en su respuesta. Personalmente, modelaría las características de los interruptores y ejecutaría algunas simulaciones para tener una idea de qué funciona mejor. Creo que dependerá bastante de las características específicas de los componentes.
El primer paso para evitar que señales como esa interfieran entre sí: verifique y vuelva a verificar su topología de puesta a tierra.

Respuestas (3)

Alternativa:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Desventajas:

  • Las entradas se filtran según la relación de la resistencia a Rg
  • La capacitancia fuera de estado puede causar distorsión de la respuesta de frecuencia

ventajas:

  • La linealidad del estado activado no es importante.
  • La resistencia del estado apagado suele ser tan alta que se puede ignorar.
  • Si el voltaje de entrada es lo suficientemente bajo, el interruptor puede ser un solo MOSFET.
¿No afectarían los interruptores la ganancia del amplificador operacional? Si ambos están cerrados, tenemos Rg/4, uno cerrado Rg/3, ambos abiertos Rg/2.
@PeterCamilleri es un amplificador sumador . La ganancia para cada entrada es Rf/Rg
Mi único punto fue que los interruptores parecen cambiar el valor efectivo de Rg. Necesito estudiar esto un poco más.
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.
Lea el "Diseño de audio de señal pequeña" de Douglas Selfs, él profundiza en las opciones de conmutación de estado sólido. También es posible que desee considerar los jfets como elementos de conmutación que tienen la ventaja de ser algo conmutables suavemente para minimizar los clics de la inyección de carga.
gracias He visto muchas referencias a mí mismo en el pasado, pero es la primera vez que oigo hablar de este libro. Ciertamente lo investigaré.
Acepté esta respuesta aunque también respondí mi propia pregunta, porque esta respuesta es básicamente la idea que resultó en el esquema de mi propia respuesta.

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.

En otras palabras, una señal de entrada difícilmente 1 obtiene su corriente de señal en mal estado de otras señales de entrada. Esto no sucede en el mezclador de amplificador operacional no inversor porque los niveles de señal dependen entre sí y las impedancias de fuente de otras señales conectadas de esta manera. Esto deja a U1 o U2 como los principales contendientes: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

En un mezclador como este, el nodo de mezcla sufre mucho porque todas las entradas están conectadas a él, por lo que optaría por 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 lo hará tener un montón de entradas y ese es un problema que enfrentan todos los mezcladores analógicos, así que elija un amplificador operacional con bajo ruido de entrada. densidad de voltaje y esté preparado para agregar un capacitor paralelo a través de Rf.

También debe recordar que a frecuencias de audio altas, los interruptores analógicos no son circuitos abiertos y es posible que todavía se escuche algo de ruido de alto espectro procedente de una entrada que se considera apagada.

1 Usé la palabra "apenas" porque con un amplificador operacional hay una ganancia finita (y no infinita) y el punto de suma de la tierra virtual se convierte en una ligera abstracción. Esto significa que la tierra virtual puede estar en unos pocos mV pp y en frecuencias más altas (donde se reduce la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional) podría ser de 10 mVp-p, por ejemplo. Todavía es mucho mejor que el nodo de suma no inversor, por supuesto.

+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.
Sí, un poco de barrido. Voy a hacer las paces touche LOL
;) Mientras hace que la respuesta sea 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 canceladas.
Eso afecta a todos los ejemplos dados por el OP, por lo que no es necesario.
Sí, tal vez, pero visto a tanta gente dar por sentada la tierra virtual y preguntarse por qué pueden escuchar los tambores desde allí... aquí...
¡Esta conversación de comentarios tiene el propósito de informar!
Gracias chicos por las respuestas y comentarios hasta ahora. Debo agregar que los esquemas son solo principios. La fuente de alimentación también es importante, al igual que un condensador en Rf para limitar la ganancia de frecuencia más alta (a veces) y la protección de entrada que evita el recorte (ni siquiera estoy seguro de si el 5532 tiene inversión de fase, eso sería aún peor).

Después de hacer algunas simulaciones, elaboré, construí y modifiqué la solución de τεκ con muy buenos resultados:

ingrese la descripción de la imagen aquí

NE5532 es el opamp 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 FET de 10 mOhm. Esos son fáciles de encontrar sin embargo. 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 un compromiso entre el ruido y la diafonía. todas las resistencias se escalan simultáneamente y es 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 riel medio en función de los FET.

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

Pero el esquema anterior con todo lo que está ajustando multiplexes sin ninguna distorsión audible, con un ruido y diafonía absolutamente mínimos.

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

Tenga en cuenta que esta versión del multiplexor tiene una gran desventaja que es difícil de resolver: la salida cae inmensamente al cerrar cualquiera de los FET. Esto se debe a que la polarización de CC se altera al llevar el drenaje del FET a tierra. 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.

Me parece muy sospechoso que 1k sea óptimo.
¿Te importa explicar por qué? La diafonía teórica es -100dB con 10 mOhm/1k y definitivamente suena mejor que -90dB.
multiplexación analógica de bajo ruido y baja distorsión
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