低噪声、低失真模拟多路复用

电器工程 运算放大器 噪音 失真 成本
2022-01-18 03:17:07

我正在尝试设计一种用于多路复用模拟(音频)信号的低噪声、低失真、低成本运算放大器电路。经验、研究和一些实验已经使我将以下组件与适当的低噪声电源相结合:

这个问题本质上是关于集成开关的。我确实知道继电器是 CMOS 开关的替代品,但其成本大约是 5 到 10 倍,在这种设计中并不是真正的选择。

关于具有(可切换)可变增益的运算放大器电路,有一些很好的问题可以给出合理的答案,例如这里正如标题所暗示的,这个问题与这个问题无关。但请耐心等待,让我详细说明它作为介绍。

考虑这个具有可变增益的电路:

可变增益运算放大器电路

该电路中开关的位置是完美的。它们处于地平面,因此没有偏移影响开关电阻。结果,在这个位置,开关不会产生调制失真。

在信号路径中,开关也远离敏感的运算放大器输入引脚。Rin、Rf、Rg1 和 Rg2 都可以非常靠近输入引脚。如果开关位于运算放大器输入侧,这是不可能的。

现在到我问题的真正核心。这里有 4 种不同的可能的输入多路复用配置,它们都没有接近上述可变增益解决方案的理想配置。

4 种多路复用配置

U3 周围的电路是为了完整性,但它是最不明智的。

在 U2 和 U4 周围的电路中,开关看到可变的电压电平,这将导致调制失真。

U1 周围的电路具有虚拟接地的开关,但它们的位置也在反相输入引脚上。我过去已经实现了这一点,根据经验,这种布局会导致高噪声敏感性。我不是在谈论电路的固有噪声,而是来自周围电子设备的噪声。

我的问题是,是否有人对可以做出的最佳权衡有经验,或者可以提出任何可以规避此处总结的缺点的技巧,或者可以提出一个聪明的、不同的原理图来实现相同的目标。


编辑

在回答和评论中,触及了主要问题的几个方面。本质上,我问的是最好的拓扑结构,它已经转向开关属性(导通电阻、线性度、关断电容)和混合配置的副作用(节点充电导致切换时扑通扑通)、串扰。 ..

我很清楚所有这些问题,我可能过于简化了这个问题,以求清晰和集中。

Andy aka 提出了有价值的考虑,我将进一步研究,但建议的解决方案与我过去所做的完全一样,但没有我希望的那么成功。

τεκ 提出了一个简单但有趣的替代方案,我也会研究一下。

我的中间结论是,我将尝试掌握 Douglas Self 的有声读物。我将深入研究开关和 FET 属性,并尝试在不同拓扑中模拟它们的效果。这可能会带来新的见解,我会报告回来。我最终会确定不同的解决方案的原型。所以这可能需要一些时间,但我会带着新的见解回来并报告。

3个回答

您没有考虑的一个方面是,对于反相混频器,混频节点是虚拟地球,因此,您“混合”输入电流,每个输入的电流“汇入”虚拟地球。这提供了一个主要好处:-

Very little cross talk between one input signal and another.

换句话说,一个输入信号很难\$^1\$ 从其他输入信号中得到它的信号电流。不会发生在同相运算放大器混频器上,因为信号电平相互依赖,并且以这种方式连接的其他信号的源阻抗。这使得 U1 或 U2 成为主要竞争者:-

在此处输入图像描述

在这样的混音器中,混音节点会因连接到它的所有输入而受到很大影响,因此我会选择使用 U1 的电路。是的,在混频节点处会有更多的接地电容,这会导致高频噪声,但是会有一堆输入,这是所有模拟混频器都面临的问题,因此,选择具有低输入噪声的运算放大器电压密度,并准备在 Rf 上添加一个并联电容器。

您还必须记住,在高音频频率下,模拟开关不是开路,并且可能仍会听到来自被认为已关闭的输入的一些高频谱噪声。


\$^1\$ 我使用了“几乎没有”这个词,因为运算放大器的增益是有限的(而不是无限的),并且虚拟地球求和点变得有点抽象。这意味着虚拟地球可以处于几个 mV pp,而在更高的频率(运算放大器开环增益降低的地方)它可能是 10 mVp-p。当然,它仍然比同相求和节点好很多。

选择:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

缺点:

  • 基于导通电阻与 Rg 之比的输入泄漏
  • 断态电容会导致频率响应失真

优点:

  • 开关导通状态线性并不重要。
  • 开关关断电阻通常很高,可以忽略不计。
  • 如果输入电压足够低,开关可以是单个 MOSFET。

在做了一些模拟之后,我实际上已经详细阐述、构建和调整了 τεκ 的解决方案,结果非常好:

在此处输入图像描述

NE5532 是我用过的实际运算放大器。不要介意原理图中的 FET。我已经测试了几个 FET,范围从 Rdson = 40 mOhm 到 10 mOhm,串扰仅适用于 10 mOhm FET。不过这些很容易找到。请注意,它们需要完全打开 4.5V,因为我想通过具有 5V 容限集电极开路输出的 µC 来控制它。

这种设计是噪声和串扰之间的折衷。所有电阻器同时缩放,R13 和 R16 与 Rdson 决定了串扰(泄漏),而 R13、R15、R16、R18 也决定了热噪声。从 1k ohm 到 2k ohm 的变化清晰可闻。

这显然不适用于直流耦合系统,所有东西都在 FET 的功能上偏向中轨。

为了不受周围电路的影响,非常好的中轨去耦非常重要。

但是上面的示意图和所有它都在调整多路复用,没有任何可听见的失真,绝对最小的噪音和串扰。

万一有人想知道,R14 和 R17 的存在是为了定义 FET 的漏极电压。否则,该电压将取决于耦合电容器的泄漏。

请注意,这种多路复用器版本有一个难以解决的主要缺点:关闭任何 FET 时输出会急剧下降。这是因为直流偏压会因将 FET 漏极接地而受到干扰。在达到新的平衡之前,这会通过耦合帽。但这在我的应用程序中不是问题,因为在多路复用器切换期间输出将被短暂地数字静音。

对于价格,我无法想象有更好的选择,缺点是可以控制的,而噪音和声音是一流的。