在切換音頻和視頻信號(hào)時(shí)，難點(diǎn)在于如何避免引入噪聲，以及因設(shè)備電阻或附帶電容導(dǎo)致的信號(hào)損失。雖然 CMOS 模擬開(kāi)關(guān)既有效又高效，但設(shè)計(jì)人員需要了解關(guān)鍵的參數(shù)折衷才能正確使用它們。在音頻或視頻信號(hào)源間切換可能非常棘手。大多數(shù)機(jī)械開(kāi)關(guān)或繼電器并非為切換多媒體信號(hào)而設(shè)計(jì)，并且可能產(chǎn)生干擾，例如較大的爆音或視覺(jué)干擾。開(kāi)關(guān)電路可以從頭設(shè)計(jì)，但這會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性和時(shí)間。

為解決此問(wèn)題，可以使用簡(jiǎn)單的 CMOS 模擬開(kāi)關(guān)。它們的工作原理與小型半導(dǎo)體繼電器相似，允許電流在兩個(gè)方向流動(dòng)，且損耗較低。憑借先開(kāi)后合和低導(dǎo)通電阻等特性，可消除切換期間的音頻或視覺(jué)噪聲，同時(shí)減少信號(hào)損失。但在實(shí)踐中，在使用模擬開(kāi)關(guān)之前，設(shè)計(jì)人員還需要考慮各種規(guī)格的權(quán)衡。本文將首先討論模擬開(kāi)關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)的設(shè)計(jì)權(quán)衡，然后介紹合適的解決方案及其使用方法。

模擬開(kāi)關(guān)使用并行的 P 溝道 MOSFET 與 N 溝道 MOSFET 來(lái)創(chuàng)建雙向開(kāi)關(guān)。ON Semiconductor 的 NS5B1G384 SPST 常閉模擬開(kāi)關(guān)便是一個(gè)簡(jiǎn)單的 CMOS 模擬開(kāi)關(guān)示例(圖 1)?？刂戚斎敫鶕?jù)器件配置是常開(kāi) (NO) 還是常閉 (NC)，將適當(dāng)?shù)哪孀兒头悄孀冃盘?hào)發(fā)送到 MOSFET 柵極。

圖 1：簡(jiǎn)單 SPST 模擬開(kāi)關(guān)的高級(jí)表示。單個(gè)觸點(diǎn)根據(jù)控制輸入信號(hào) IN 的狀態(tài)來(lái)接通和斷開(kāi)

理想情況下，模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)具有盡可能低的開(kāi)關(guān)電阻 (RON)。實(shí)現(xiàn)方法是設(shè)計(jì) CMOS 開(kāi)關(guān)，通過(guò)增加 MOSFET 漏極/源極面積，為電子流動(dòng)創(chuàng)造更多表面積并降低導(dǎo)通電阻。但是，增加表面積具有增大寄生電容的缺點(diǎn)。在較高頻率下，此寄生電容可能成為一個(gè)問(wèn)題，即形成低通濾波器從而導(dǎo)致失真。電容器還會(huì)因充電和放電時(shí)間而導(dǎo)致傳播延遲。

在為給定應(yīng)用選擇 CMOS 開(kāi)關(guān)時(shí)，權(quán)衡 RON 與寄生電容是關(guān)鍵。并非每個(gè)應(yīng)用都需要低 RON，并且在某些情況下，模擬開(kāi)關(guān)與電阻負(fù)載串聯(lián)，使得 RON 可以忽略不計(jì)。但對(duì)于視頻信號(hào)，權(quán)衡 RON 與寄生電容就變得很重要。隨著 RON 的減小，寄生電容會(huì)增加。這會(huì)切斷高頻信號(hào)，導(dǎo)致帶寬降低或失真。

對(duì)于圖 1 所示的 NS5B1G384 案例而言，該器件具有 4.0 Ω(典型值)的較低 RON。寄生電容非常低，為 12 皮法 (pF)，因而此開(kāi)關(guān)可適用高至 330 MHz 的信號(hào)。

要在兩個(gè)音頻信號(hào)輸出之間切換音頻輸入信號(hào)，須將音頻輸入連接到兩個(gè) NS5B1G384 開(kāi)關(guān)的 COM 引腳。將每個(gè)開(kāi)關(guān)的 NC 引腳連接到其各自的變換器，例如耳機(jī)和揚(yáng)聲器。請(qǐng)注意，一次只能選擇一個(gè) IN 引腳。

在此配置中，模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間變得很重要。對(duì)于 NS5B1G384，導(dǎo)通時(shí)間為 6.0 納秒 (ns)，關(guān)斷時(shí)間為 2.0 ns。使用多個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)，更快的關(guān)斷時(shí)間可實(shí)現(xiàn)先開(kāi)后合功能。這確保了在連接一個(gè)開(kāi)關(guān)之前先斷開(kāi)另一個(gè)開(kāi)關(guān)，從而防止兩個(gè)負(fù)載同時(shí)連接。這還減少了在切換音頻信號(hào)時(shí)不時(shí)在音頻設(shè)備上聽(tīng)到的爆音。

另一種在兩個(gè)音頻信號(hào)輸出之間切換的替代解決方案是使用兩個(gè) SPDT 模擬開(kāi)關(guān)。例如，Analog Devices 的 ADG884BCPZ-REEL 在一個(gè)封裝中包含了兩個(gè) SPDT 模擬開(kāi)關(guān)。使用 5 V 電源時(shí)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)的 RON 都很低，介于 0.28 Ω(典型值)和 0.41 Ω(最大值)之間，因而適合低損耗音頻信號(hào)切換。但如此低的 RON 也要付出代價(jià)。開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)之間的寄生電容為 295 pF。

ADG884 可通過(guò)開(kāi)關(guān)處理 400 mA 電流，因而適合從音頻放大器直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器(圖 2)。

如何使用模擬開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)切換音頻和視頻信號(hào)

圖 2：該基本電路使用單個(gè) Analog Devices ADG884 在兩個(gè)音頻輸出設(shè)備之間切換

為了最大限度降低 EMI 將噪聲注入音頻輸出的可能性，音頻放大器在印刷電路板上的位置應(yīng)盡可能靠近 ADG884。耳機(jī)插孔也應(yīng)盡可能靠近 ADG884。如果揚(yáng)聲器不使用插孔，則應(yīng)在 ADG884 和揚(yáng)聲器之間使用屏蔽音頻線。

如果音頻輸入信號(hào)為差分對(duì)，則信號(hào)對(duì) S1A/S1B、S2A/S2B 和 D1/D2 在印刷電路板上的布線位置應(yīng)彼此相鄰，以抵消任何共有干擾，進(jìn)而消除揚(yáng)聲器或耳機(jī)的噪聲。