28 марта 2023 г.
При разработке своего матричного аудио коммутатора в качестве переключателей я применял бистабильные сигнальные реле HFD4/5-L. Они довольно прозрачны для звука в плане нелинейных искажений, но достаточно дорогие, а аналоги еще дороже. При разработке версии коммутатора с бóльшим размером матрицы цена большой кучи реле выходит совсем неприятной. К тому же реле имеют другие недостатки – механический износ, габаритные размеры, большое время срабатывания порядка нескольких миллисекунд (что не дает возможности переключать сигналы при их прохождении через ноль).
Конечно, существует огромное множество КМОП-переключателей, созданных и применяемых для коммутации аналоговых сигналов. Но не всегда у них известен вносимый коэффициент нелинейных искажений (КНИ), а если известен, то он оставляет желать лучшего по сравнению с реле. Однако, я все же решил купить несколько моделей подобных переключателей и протестировать их в той схеме, в которой их планируется применять. Возможно будет не все так плохо.
КМОП-переключатель, по своей сути, представляет комплементарную пару МОП-транзисторов, включенных по следующей схеме (рис. 1). Включение и выключение транзисторов выполняется логическим уровнем. Входы и выходы, как правило, имеют защитные диоды.
Рисунок 1 – Структура простого КМОП-переключателя
Положительные уровни входного сигнала пропускает P-канальный транзистор, отрицательные – N-канальный. Включенные параллельно, они дополняют друг друга и дают околопостоянное сопротивление открытого ключа во всем диапазоне входных сигналов (рис. 2).
Рисунок 2 – Зависимость сопротивления открытого канала стандартного КМОП-переключателя от уровня входного сигнала
Рассмотрим эквивалентную схему (рис. 3) сдвоенного ключа с учетом паразитных компонентов, которая поможет понять, из-за чего возникают искажения в КМОП-ключе.
Рисунок 3 – Эквивалентная схема сдвоенного КМОП-ключа
По постоянному напряжению влияние паразитных емкостей можно исключить. Тогда схема ключа упрощается (рис. 4, показан один из двух ключей). В замкнутом ключе основное влияние в сигнал вносит сопротивление ключа RON и ток утечки ILKG. RON совместно с выходным сопротивлением RG источника сигнала и сопротивлением нагрузки RLOAD образуют резистивный делитель, из-за чего в нагрузку попадает только часть исходного входного напряжения. Ток утечки протекает через эквивалентное сопротивление, равное RLOAD || (RON + RG).
Рисунок 4 – Эквивалентная схема замкнутого (слева) и разомкнутого (справа) ключа по постоянному напряжению
Если бы значение RON имело постоянную величину, то затухание сигнала можно было бы скомпенсировать дополнительным усилением. Но сопротивление замкнутого ключа меняется нелинейно в зависимости от приложенного напряжения (см. рис. 2). Это вызывает нелинейные искажения в выходном сигнале, что особенно заметно в низкоомных цепях. В высокоомных схемах основные искажения вносит ток утечки.
При разомкнутом ключе ток утечки вызывает на выходе постоянное смещение в соответствии с законом Ома, создавая падение напряжения в нагрузке.
На рисунке 5 показаны паразитные элементы, влияющие на параметры схемы по переменному напряжению. Все они ухудшают пропускную способность ключа, вызывают перекрестные помехи и вносят коррективы в общую передаточную функцию схемы.
Рисунок 5 – Эквивалентная схема замкнутого (слева) и разомкнутого (справа) ключа по переменному напряжению
(CDS – емкость drain-to-source, CD – емкость drain-to-ground)
Емкость CDS приводит к образованию нуля на частотной характеристике, который из-за низкого сопротивления замкнутого ключа находится на высоких частотах. Выходная емкость ключа CD, CDS и CLOAD определяют полосу пропускания схемы, и образуют полюс на частотной характеристике.
Рисунок 6 – Амплитудно-частотная характеристика замкнутого ключа
Емкость CD здесь имеет наибольшее влияние, поэтому излом у полюса на частотной оси находится левее нуля. Следовательно, ключ с низким сопротивлением, низкой входной и выходной емкостями будет иметь большую пропускную способность.
Последовательная емкость ключа CDS не только создает нуль на частотной характеристике при замкнутом ключе, но также добавляет емкостную связь между входом и выходом при разомкнутом ключе. Это снижает изолирующие свойства ключа на высоких частотах (рис. 7). Самый простой способ максимизировать этот параметр – выбирать ключ с минимальным CDS.
Рисунок 7 – Изолирующие свойства разомкнутого ключа в зависимости от частоты
Еще одним фактором, оказывающим негативное влияние на работу КМОП-ключа является инжекция заряда, которая происходит при переключении управляющего сигнала из-за влияния паразитной емкости CQ (рис. 8) и вызывает ступенчатое изменение выходного напряжения ΔVOUT (рис. 8, справа). На это изменение влияет количество инжектированного заряда, которое в свою очередь зависит от CQ и от емкости нагрузки CL.
Рисунок 8 – Инжекция тока разомкнутого ключа
Другая проблема проявляется в виде удержания заряда при переключении каналов, что может приводить к переходным процессам для сигнала на выходе ключа.
Также между ключами в одном корпусе существует перекрестная связь, которую на эквивалентной схеме (см рис. 3) моделирует емкость CSS. Соответственно, с ростом частоты перекрестная связь будет расти.
И, наконец, ключ обладает собственным временем установления, которое также необходимо учитывать. Это время также зависит от всех вышеописанных паразитных элементов ключа.
Для теста я выбирал переключатели, которые стоят дешевле, чем реле, и из них сформировал небольшой набор подопытных. Купил те модели, до которых смог "дотянуться", но цены и доступность со временем могли измениться. Некоторые микросхемы содержат в себе более одного ключа, поэтому цену я укажу в пересчете на один ключ. Корпуса я рассматривал только для поверхностного монтажа в угоду компактности на плате. Кроме КМОП-переключателей, разработанных для применения в низкочастотных цепях, в список я также добавил один широкополосный переключатель. Коммутация аудиосигнала – не его целевая задача, но будет интересно посмотреть на его работу в данном применении. Также в перечень включен один довольно дорогой переключателя, который у меня имелся в наличии.
CD4066B (отечественный аналог К561КТ3А) – наверное, самый популярный переключатель, применявшийся для коммутации аналогового сигнала. Цена одного ключа 5,9 руб. CD4066 выпускается счетверенным в корпусе SO-14 и имеет сопротивление открытого канала около 100 Ом при максимально допустимом питании 18В. Заявленный КНИ составляет огромные 0,4% при питании +/-5В и размахе входного сигнала 1 кГц, равным 5В.
Рисунок 9 – График зависимости сопротивления открытого канала переключателя CD4066 от уровня входного сигнала при разном напряжении питания
HEF4053B - это строенный мультиплексор-демультиплексор в корпусе SO-16 (отечественный аналог К561КП5) с сопротивлением открытого канала 60 Ом. Это еще одна популярная микросхема для построения схем с аналоговым переключением, и к тому же очень дешевая. Цена одного ключа 1,7 руб. Заявленный коэффициент нелинейных искажений при питании 15В и размахе входного сигнала 1 кГц, равным 0,5В составляет 0,04%. Максимальное напряжение питания 18В.
Рисунок 10 – График зависимости сопротивления открытого канала переключателя HEF4053B от уровня входного сигнала при разном напряжении питания
74LVC2G66 - сдвоенный переключатель в SSOP-8 корпусе, имеющий сопротивление в открытом состоянии около 6 Ом. Цена одного ключа 4,1 руб. Максимальное напряжение питания составляет 5,5В. Заявленный коэффициент нелинейных искажений составляет 0,01% при напряжении питания 4,5В и входном сигнале 10 кГц с размахом 4В.
Рисунок 11 – График зависимости сопротивления открытого канала переключателя SN74LVC2G66 от уровня входного сигнала при разном напряжении питания
TS5A3166 - одиночный КМОП-переключатель в корпусе SOT23-5 с очень низким сопротивлением во включенном состоянии, составляющим всего 0,9 Ом. Цена одного ключа 24,2 руб. Максимальное напряжение питание составляет 5,5В. Это один из немногих переключателей, для которого приведен график зависимости КНИ от частоты и напряжения питания (рис. 13). Именно на него во время тестов я возлагал самые большие надежды.
Рисунок 12 – График зависимости сопротивления открытого канала переключателя TS5A3166 от уровня входного сигнала при разном напряжении питания
Рисунок 13 – График зависимости КНИ переключателя TS5A3166 от частоты при разном напряжении питания
CH443K - сдвоенный переключатель в корпусе SOT363 от китайского производителя. Сопротивление переключателя во включенном состоянии составляет 5 Ом. Цена одного ключа 12,3 руб. Каких-либо упоминаний о величине КНИ в документации я не обнаружил, но данные ключи имеют очень широкую полосу пропускания – до 700 МГц, и могут применяться для коммутации видеосигнала или USB-интерфейса.
Рисунок 14 – График зависимости сопротивления открытого канала переключателя CH443K от уровня входного сигнала при разном напряжении питания
DG419L - одиночный переключатель в корпусе SO-8. Во включенном состоянии имеет сопротивление 14 Ом. Цена такого ключа в десятки раз больше предыдущих экземпляров. Данный переключатель достаточно широкополосный (до 100 МГц), но коэффициент нелинейных искажений в документации не указан.
Рисунок 15 – График зависимости сопротивления открытого канала переключателя DG419L от уровня входного сигнала при разном напряжении питания
Для проведения эксперимента я собрал небольшой стенд по схеме, которая представляет собой немного видоизмененный тракт прохождения сигнала в матричном коммутаторе. Исходно он был такой: "входной разъем → повторитель на ОУ → реле → повторитель на ОУ → выходной разъем".
В лабораторном макете сигнал с первого повторителя пропущен через аттенюатор R6 для изменения уровня входного сигнала переключателя, а второй повторитель был заменен на усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (DA4.1). Кроме того, усилитель можно переключить в режим повторителя (XP1). Схема питания и для ОУ, и для КМОП-переключателей применена двухполярная, чтобы исключить из схемы разделительные конденсаторы. Это позволяет подавать входной сигнал относительно нуля.
Рисунок 16 – Лабораторный стенд для проведения испытаний переключателей
Данная схема выполнена на печатной плате с разъемом, в который вставлялся картридж с испытуемым переключателем. Для измерения уровня проникновения сигнала с соседнего канала на картриджах со сдвоенными или многоканальными переключателями имеются перемычки для коммутации сигнала на соседний ключ. На основной плате макета есть перемычка XP2 для включения и отключения испытуемого ключа. Это дает возможность измерять изолирующие свойства переключателей.
Как можно видеть по схеме, нагрузкой переключателей является резистор R9 с достаточно большим сопротивлением 10 кОм.
Рисунок 17 – Лабораторный стенд для проведения эксперимента
Рисунок 18 – Картриджи с испытуемыми переключателями
На каждый переключатель я подавал входной сигнал в диапазоне от 100 до 1000 мВ RMS с шагом в 100 мВ. А выходной уровень сигнала приводил к уровню 1 В RMS при помощи выходного усилителя. В таком случае суммарный КНИ включает в себя искажения усилителя, но они настолько низкие, что незначительно влияют на результат только при максимальном усилении (при уровне входного сигнала 100 мВ RMS) и ими можно пренебречь. Референсное значение коэффициента нелинейных искажений измерительного тракта без переключателей я снимал при установленном картридже с проволочной перемычкой. Измерение уровня изоляции отключенного ключа и проникновения сигнала с соседнего канала я выполнял только на максимальном уровне входного сигнала, т.к. уменьшение уровня входного сигнала будет пропорционально уменьшать наведенный сигнал.
Входной сигнал подавался с ЦАПа Mercury, измеренная величина нелинейных искажений которого составляет ~0,00017% при выходном сигнале 1 В RMS. Анализ выходного сигнала стенда выполнялся звуковой картой E-MU 0404 USB в программе ARTA, питание схемы производилось от ЛБП Korad KA3005D через изолированный импульсный DC/DC-преобразователь с дополнительным CLC-фильтром на выходе. ОУ запитывались напрямую от напряжения +/-12 В, а для переключателей дополнительно установлены регулируемые стабилизаторы питания на LM317/337. Питание ключей применялось для каждой модели максимально допустимое, т.к. такой режим дает наилучшие результаты.
Полученные результаты измерений я свел в таблицы 1 и 2 и построил графики (рис. 19). В таблицу 3 внесены величины сопротивления ключей в открытом состоянии и изменения сопротивления при максимальном уровне входного сигнала, в таблицу 4 - цены.
Рисунок 19 – Зависимость THD от уровня входного сигнала переключателей
Таблица 1 – Результаты измерений THD переключателей
| Wire | Relay | TS5A3166 | DG419L | 74LVC2G66 | HEF4053B | CD4066B | CH443K | ||
| Напряжение питания, В | - | +5 | ±2,5 | ±6 | ±2,5 | ±9,0 | ±9,0 | ±2,5 | |
| Уровень входного сигнала, мВ RMS |
100 | 0,00019 | 0,00019 | 0,00019 | 0,00024 | 0,00034 | 0,00049 | 0,00054 | 0,00067 |
| 200 | 0,00017 | 0,00017 | 0,00017 | 0,00032 | 0,00057 | 0,00086 | 0,00096 | 0,00130 | |
| 300 | 0,00017 | 0,00017 | 0,00017 | 0,00044 | 0,00088 | 0,00120 | 0,00130 | 0,00200 | |
| 400 | 0,00016 | 0,00017 | 0,00017 | 0,00056 | 0,00120 | 0,00160 | 0,00180 | 0,00290 | |
| 500 | 0,00017 | 0,00017 | 0,00017 | 0,00071 | 0,00150 | 0,00200 | 0,00220 | 0,00410 | |
| 600 | 0,00017 | 0,00017 | 0,00018 | 0,00089 | 0,00210 | 0,00250 | 0,00280 | 0,00630 | |
| 700 | 0,00016 | 0,00016 | 0,00019 | 0,00110 | 0,00280 | 0,00300 | 0,00330 | 0,00870 | |
| 800 | 0,00016 | 0,00017 | 0,00019 | 0,00130 | 0,00390 | 0,00370 | 0,00410 | 0,00970 | |
| 900 | 0,00016 | 0,00016 | 0,00021 | 0,00160 | 0,00560 | 0,00420 | 0,00470 | 0,00980 | |
| 1000 | 0,00016 | 0,00016 | 0,00027 | 0,00190 | 0,00690 | 0,00510 | 0,00560 | 0,00970 | |
Таблица 2 – Результаты измерений изолирующих параметров переключателей
| Wire | Relay | TS5A3166 | DG419L | 74LVC2G66 | HEF4053B | CD4066B | CH443K | |
| Изоляция разомкнутого ключа, дБ |
-123,32 | -87,11 | -76,07 | -83,81 | -82,12 | -85,24 | -82,62 | -86,39 |
| Проникновение сигнала из соседнего канала, дБ |
- | -136,61 | - | - | -137,40 | -85,07 | -124,00 | - |
Таблица 3 – Параметр RON, измеренный по графикам в даташите
| Wire | Relay | TS5A3166 | DG419L | 74LVC2G66 | HEF4053B | CD4066B | CH443K | |
| RON, Ом (Vвх = 1 В RMS) | 0 | 0 | 0,6 | 12 | 5 | 49 | 100 | 5 |
| ∆RON, Ом (Vвх = 1 В RMS) | 0 | 0 | 0,1 | 0,9 | 2,5 | 10 | 9 | 2 |
Таблица 4 – Цены переключателей
| Wire | Relay | TS5A3166 | DG419L | 74LVC2G66 | HEF4053B | CD4066B | CH443K | |
| Цена, руб (в пересчете на 1 ключ) |
- | 26,0 | 24,2 | ~200..300 | 4,1 | 1,7 | 5,9 | 12,3 |
По графикам видно, что неоспоримым лидером среди КМОП-ключей по уровню нелинейных искажений является микросхема TS5A3166. Она находится на одном уровне искажений с реле и перемычкой. Вероятно это связано с ее низкими значениями сопротивления открытого канала. Также достойный результат показывает ключ DG419L, но по сравнению с TS5A3166 он стоит на порядок дороже. Причем DG419L обеспечивает лучшую изоляцию в отключенном состоянии (-84 дБ), значение которой близко к реле (-87 дБ). А вот у TS5A3166 этот параметр почти на 10 дБ хуже и составляет -76 дБ.
Ключи 74LVC2G66, HEF4053B и CD4066B на графике идут очень рядом. При уровнях входного сигнала ниже 700 мВ RMS лидирует 74LVC2G66, но дальше уровень ее искажений довольно быстро уходит вверх. Все три варианта дают достойный уровень изоляции ниже -80 дБ. Кроме того, эти ключи не одиночные, и 74LVC2G66 и CD4066B показывают очень низкий уровень проникновения сигнала из соседнего канала, который находится на уровне полки шума (-137 и -124 дБ соответственно). У HEF4053B уровень проникновения выше и доходит до -85 дБ.
Особняком стоит широкополосный ключ CH443K, который показывает очень плохой результат по величине THD. Судя по всему для аудиоприменения он не годится. Однако величина изоляции у него довольно неплохая и составляет -86 дБ.
Ниже приведен график нелинейных искажений микросхемы TS5A3166 в сравнении с реле и перемычкой.
Рисунок 20 – Зависимость THD от уровня входного сигнала переключателя TS5A3166
Можно видеть, что величина нелинейных искажений начинает ощутимо расти лишь при уровнях сигнала более 800 мВ RMS. Это означает, что можно привести входной сигнал, например, к диапазону 0-600 мВ RMS и данный КМОП-ключ будет совершенно прозрачным для звука. Единственным недостатком TS5A3166 является слабая изоляция в отключенном состоянии. Причем на больших частотах она будет только хуже. Чтобы улучшить этот показатель, можно попробовать поискать ключ с меньшей величиной емкости в серии микросхем TS5A или TS3A. Они имеют очень низкое сопротивление открытого канала и нормированное и достаточно низкое значение THD. Небольшой подъем THD при уровне входного сигнала 100 мВ обусловлен собственными искажениями усилительного каскада стенда.
Далее я решил посмотреть как TS5A3166 ведет себя при разном сопротивлении нагрузки.
Я провел измерения при 4 величинах сопротивления нагрузки - 2, 5, 10 и 100 кОм. Данные измерений сведены в таблицу 5. С нагрузкой 100 кОм я измерил THD только при уровне входного сигнала 1000 мВ RMS. Оно оказалось на уровне эталонного значения, поэтому измерять при меньшем входном напряжении не имеет смысла - результат будет такой же.
Рисунок 21 – Зависимость THD от уровня входного сигнала переключателя TS5A3166 при разном сопротивлении нагрузки
Таблица 5 – Результаты измерений THD переключателя TS5A3166 при разном сопротивлении нагрузки
| Wire | TS5A3166 | |||||
| Сопротивление нагрузки, кОм | 10 | 2 | 5 | 10 | 100 | |
| Уровень входного сигнала, мВ RMS |
100 | 0,00019 | 0,00019 | 0,00018 | 0,00019 | 0,00017 |
| 200 | 0,00017 | 0,00017 | 0,00017 | 0,00017 | ||
| 300 | 0,00017 | 0,00017 | 0,00016 | 0,00017 | ||
| 400 | 0,00016 | 0,00017 | 0,00017 | 0,00017 | ||
| 500 | 0,00017 | 0,00021 | 0,00018 | 0,00017 | ||
| 600 | 0,00017 | 0,00027 | 0,00019 | 0,00018 | ||
| 700 | 0,00016 | 0,00036 | 0,00022 | 0,00019 | ||
| 800 | 0,00016 | 0,00055 | 0,00026 | 0,00019 | ||
| 900 | 0,00016 | 0,00077 | 0,00034 | 0,00021 | ||
| 1000 | 0,00016 | 0,00120 | 0,00048 | 0,00027 | ||
| Изоляция разомкнутого ключа, дБ |
-123,32 | -90,32 | -82,03 | -76,07 | -56,12 | |
По полученным результатам можно видеть, что с увеличением нагрузки уровень нелинейных искажений падает и при нагрузке 100 кОм становится неотличим от эталонной перемычки. Но при этом ощутимо ухудшается величина изоляции, которая при нагрузке 100 кОм становится хуже -60 дБ.
Некоего компромисса между величиной THD и изолирующих качеств переключатели можно достичь при нагрузке 5 кОм. Также можно попытаться применить TS5A3166 при меньшей нагрузке, ограничив и уровень входного сигнала на уровне 500-600 мВ RMS. В таком случае после коммутации сигнал нужно усилить до необходимых 1000 мВ RMS, то есть практически в 2 раза. Это усиление ухудшит величину изоляции на 6 дБ.
Мне оптимальным видится такой вариант - входной сигнал привести к диапазону 0-500 мВ RMS, нагрузка переключателя 3,0-3,3 кОм, пост-усиление в 2 раза. При таких параметрах можно приблизиться к изолирующим параметрам реле с небольшим подъемом КНИ на максимальных уровнях входного сигнала. Если же необходимо работать с сигналами не выше 500 мВ RMS, то с нагрузкой 2,0-3,0 кОм TS5A3166 в комплексе параметров будет работать лучше, чем реле.
Цена пары TS5A3166 (для коммутации стерео аудиосигнала) будет сопоставима с ценой электромагнитного реле. Но, например, TS3A24159, судя по параметрам, приведенным в даташите, комплексно должна быть лучше по сравнению с TS5A3166. Стóит она в разы дороже, хоть и является сдвоенным ключом.
Подводя итог, можно отметить, что среди КМОП-ключей есть достойные альтернативы реле по уровню вносимых нелинейных искажений. Кроме того, такие ключи не подвержены механическому износу, имеют практически мгновенное время включения и отключения, малое потребление и удобно управляются логическим сигналом. Так что, учитывая все эти факторы, имеет смысл реле заменить на КМОП-ключ, а выбор конкретной модели зависит от места и условий его применения.