multiplexação analógica de baixo ruído e baixa distorção

Estou tentando projetar um circuito op-amp de baixo ruído, baixa distorção e baixo custo para multiplexar sinais analógicos (áudio). A experiência, a pesquisa e algumas experiências já me levaram aos seguintes componentes em combinação com uma fonte de alimentação de baixo ruído:

• NE / SA5532A op-amp duplo de baixo ruído (folha de dados)
• Comutador CMOS analógico HEF4053B (folha de dados)

Esta questão é essencialmente sobre a integração do switch. Eu sei que os relés são uma alternativa aos comutadores CMOS, mas com aproximadamente 5 a 10 vezes o custo, eles não são realmente uma opção nesse projeto.

Houve boas perguntas com respostas sensatas sobre circuitos de op-amp com ganho variável (comutável), por exemplo, aqui . Esta pergunta não é sobre esse problema, como o título sugere. Mas tenha paciência comigo e deixe-me elaborar uma introdução.

Considere este circuito com ganho variável:

A posição dos interruptores neste circuito é perfeita. Eles estão no nível do solo, portanto, nenhum deslocamento influencia a resistência do interruptor. Como resultado, nesta posição, os interruptores não geram distorção de modulação.

No caminho do sinal, os comutadores também estão afastados dos pinos de entrada sensíveis do amplificador operacional. Rin, Rf, Rg1 e Rg2 podem estar localizados muito perto dos pinos de entrada. Se o interruptor estivesse no lado da entrada do amplificador operacional, isso não seria possível.

Agora, o verdadeiro núcleo da minha pergunta. Aqui estão 4 configurações possíveis diferentes de multiplexação de entrada e nenhuma delas se aproxima da configuração ideal acima da solução de ganho variável.

O circuito ao redor do U3 existe para ser completo, mas é o menos sensato.

Nos circuitos em torno de U2 e U4, os interruptores veem um nível de tensão variável e isso leva à distorção da modulação.

O circuito ao redor do U1 tem os interruptores no chão virtual, mas a posição deles também está no pino de entrada inversor. Eu implementei isso no passado e, por experiência, esse layout gera alta sensibilidade ao ruído. Eu não estou falando sobre o ruído inerente do circuito, mas o ruído dos componentes eletrônicos ao redor.

Minha pergunta é se alguém tem experiência com o melhor trade-off que pode ser feito, ou pode sugerir truques que possam contornar as desvantagens resumidas aqui, ou sugerir um esquema inteligente e diferente que atinja o mesmo objetivo.

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Nas respostas e comentários, vários aspectos da questão principal foram abordados. Em essência, eu estava perguntando sobre a melhor topologia e ela se desviou para as propriedades do comutador (resistência, linearidade, capacitância) e efeitos colaterais da configuração da mistura (carregamento do nó resultando em plops ao alternar), diafonia. ..

Estou bem ciente de todas essas questões e posso ter simplificado demais a questão em favor da clareza e do foco.

Andy aka levantou considerações valiosas que irei seguir adiante, mas a solução sugerida é exatamente como eu fiz no passado, com menos sucesso do que eu esperava.

τεκ levantou uma alternativa simples, mas interessante, que também abordarei.

Minha conclusão intermediária é que tentarei encontrar o livro de áudio Douglas Self. Vou analisar as propriedades do switch e do FET e tentar simular seus efeitos nas diferentes topologias. Isso pode levar a novas idéias e eu irei informar. Definitivamente, prototiparei diferentes soluções no final. Pode levar algum tempo, mas voltarei com novas idéias e apresentarei um relatório.

Alternativo:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Desvantagens:

• As entradas são vazadas com base na razão de resistência a Rg
• A capacitância fora do estado pode causar distorção na resposta em frequência

Vantagens:

• A linearidade no estado de ativação não é importante.
• A resistência do estado de desligamento geralmente é tão alta que pode ser ignorada.
• Se a tensão de entrada for baixa o suficiente, a chave poderá ser um único MOSFET.

Um aspecto que você não considerou é que, com um misturador inversor, o nó de mixagem é uma terra virtual, portanto, você "mistura" as correntes de entrada e a corrente de cada entrada "afunda" em uma terra virtual. Isso fornece um grande benefício: -

Very little cross talk between one input signal and another.

Em outras palavras, um sinal de entrada dificilmente recebe sua corrente de sinal alterada de outros sinais de entrada. Isso não acontece no misturador op-amp não inversor porque os níveis de sinal dependem um do outro e as impedâncias da fonte de outros sinais conectados dessa maneira. Isso deixa U1 ou U2 como os principais concorrentes:$^1$

Em um mixer como este, o nó de mixagem sofre muito com todas as entradas conectadas a ele, então eu usaria o circuito que usa U1. Sim, haverá mais capacitância para aterrar no nó de mixagem e isso causará ruído de alta frequência, mas também haverá várias entradas e esse é um problema enfrentado por todos os mixers análogos; portanto, escolha um amplificador operacional com baixo ruído de entrada densidade de tensão e esteja preparado para adicionar um capacitor paralelo em Rf.

Você também deve se lembrar que, em altas frequências de áudio, os comutadores analógicos não são circuitos abertos e ainda pode ser ouvido algum ruído de alto espectro de uma entrada considerada desligada.

$^1$ Usei a palavra "dificilmente" porque, com um amplificador operacional, existe um ganho finito (e não infinito) e o ponto de soma virtual da terra se torna uma leve abstração. Isso significa que o terra virtual pode estar em alguns mV pp e em frequências mais altas (onde o ganho de malha aberta do amplificador operacional diminui) pode ser de 10 mVp-p, por exemplo. Ainda é muito melhor do que o nó de soma não inversor, é claro.

Depois de fazer algumas simulações que realmente elaborei, construí e aprimorei a solução de τεκ com resultados muito bons:

NE5532 é o opamp real que eu usei. Não ligue para o FET no esquema. Eu testei com vários FETs variando de Rdson = 40 mOhm a 10 mOhm e a diafonia é aceitável apenas para FETs de 10 mOhm. Esses são fáceis de encontrar. Lembre-se de que eles precisam estar totalmente abertos com 4,5V, pois eu quero controlar isso de um µC com saídas de coletor aberto tolerantes a 5V.

Esse design é um compromisso entre ruído e diafonia. todos os resistores são dimensionados simultaneamente e são R13 e R16 versus Rdson que determinam a diafonia (vazamento), enquanto também são R13, R15, R16, R18 que determinam o ruído térmico. A mudança de 1k ohm para 2k ohm é claramente audível.

Obviamente, isso não pode funcionar para sistemas acoplados à CC, tudo é tendencioso no meio do trilho em função dos FETs.

Um bom desacoplamento no meio do trilho é extremamente importante para não influenciar os circuitos ao redor.

Mas o esquema acima com todos os seus multiplexes de ajustes sem distorção audível, com ruído e diafonia absolutamente mínimos.

Caso alguém se pergunte, R14 e R17 estão lá para definir a tensão no dreno dos FET's. Caso contrário, essa tensão dependeria do vazamento dos capacitores de acoplamento.

Lembre-se de que esta versão do multiplexador tem uma grande desvantagem difícil de resolver: a saída aparece imensamente ao fechar qualquer FET. Isso ocorre porque o viés de CC é perturbado ao puxar o dreno FET para o solo. Isso faz a transição através das tampas de acoplamento antes de atingir um novo equilíbrio. Mas isso não é problema no meu aplicativo, pois as saídas serão silenciadas digitalmente brevemente durante a comutação do multiplexador.

Por um preço que não consigo imaginar, existem alternativas melhores, os inconvenientes são administráveis, enquanto o ruído e o som são de primeira qualidade.