düşük gürültü, düşük bozulma analog çoğullama

Analog (ses) sinyallerini çoğaltmak için düşük gürültü, düşük bozulma, düşük maliyetli op-amp devre tasarlamaya çalışıyorum. Deneyim, araştırma ve bazı deneyler beni uygun bir düşük gürültülü güç kaynağı ile birlikte aşağıdaki bileşenlere yönlendirdi:

• NE / SA5532A çift düşük gürültülü op-amp (veri sayfası)
• HEF4053B analog CMOS anahtarı (veri sayfası)

Bu soru özünde anahtarın entegrasyonu ile ilgilidir. Rölelerin CMOS anahtarlarına alternatif olduğunu biliyorum, ancak maliyetin yaklaşık 5 ila 10 katında bu tasarımda gerçekten bir seçenek değiller.

Değişken kazançlı (değiştirilebilir) op-amp devreleri hakkında mantıklı cevapları olan güzel sorular vardır, örneğin burada . Bu soru, başlığın da belirttiği gibi bu sorunla ilgili değil. Ama benimle kal ve bir giriş olarak üzerinde durmama izin ver.

Bu devreyi değişken kazanç ile düşünün:

Bu devredeki anahtarların konumu mükemmeldir. Zemin seviyesindedirler, bu nedenle ofset anahtar direncini etkilemez. Sonuç olarak, bu pozisyonda anahtarlar modülasyon bozulması yaratmaz.

Sinyal yolunda, anahtarlar hassas op-amp giriş pinlerinden de uzaktadır. Rin, Rf, Rg1 ve Rg2 giriş pimlerine çok yakın yerleştirilebilir. Anahtar op-amp giriş tarafındaysa, bu mümkün olmaz.

Şimdi sorumun gerçek çekirdeğine. Burada 4 farklı giriş çoklama konfigürasyonu bulunmaktadır ve bunların hiçbiri değişken kazanç çözümünün üstündeki ideal konfigürasyona yaklaşmamaktadır.

U3 etrafındaki devre tamlık için oradadır, ancak en az mantıklıdır.

U2 ve U4 etrafındaki devrelerde anahtarlar değişken bir voltaj seviyesi görür ve bu da modülasyon bozulmasına yol açar.

U1 etrafındaki devre sanal topraklamada anahtarlara sahiptir, ancak bunların konumları da ters çevirme giriş pimindedir. Bunu geçmişte uyguladım ve deneyimden dolayı, bu düzen yüksek gürültü hassasiyetine yol açıyor. Devrenin doğal gürültüsünden değil çevredeki elektroniklerden gelen gürültüden bahsediyorum.

Benim sorum, herkesin yapılabilecek en iyi değiş tokuş ile deneyimi olup olmadığı veya burada özetlenen dezavantajları aşabilecek hileler önerebileceği veya aynı hedefe ulaşan akıllı, farklı bir şema önerebileceği.

Düzenle

Cevaplarda ve yorumlarda ana konunun çeşitli yönlerine değinildi. Özünde, en iyi topolojiyi soruyordum ve karıştırma özelliklerine (açık direnç, doğrusallık, kapalı kapasite) ve karıştırma konfigürasyonunun (anahtarlama sırasında ploplarla sonuçlanan düğüm şarjı), karışmaya doğru sürüklendi. ..

Tüm bu sorunların farkındayım ve netlik ve odaklanma lehine soruyu gereğinden fazla basitleştirmiş olabilirim.

Andy aka, daha fazla takip edeceğim değerli düşünceleri dile getirdi, ancak önerilen çözüm, geçmişte yaptığım gibi, umduğumdan daha az başarı ile.

τεκ ben de bakacağım basit ama ilginç bir alternatif ortaya çıkardı.

Ortadaki sonucum, Douglas Self sesli kitabını ele geçirmeye çalışacağım. Anahtar ve FET özelliklerine gireceğim ve farklı topolojilerdeki etkilerini simüle etmeye çalışacağım. Bu yeni içgörülere yol açabilir, ben de rapor edeceğim Sonunda farklı çözümlerin prototipini yapacağım. Bu yüzden biraz zaman alabilir, ancak yeni bilgilerle geri dönüp rapor vereceğim.

Alternatif:

^{bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik}

Dezavantajları:

• Rg direncine oranına göre girişler sızıntı yapıyor
• Durum dışı kapasitans, frekans yanıtı bozulmasına neden olabilir

Avantajları:

• Açma durumu doğrusallığı önemli değildir.
• Kapatma durumu direnci genellikle göz ardı edilebilecek kadar yüksektir.
• Giriş voltajı yeterince düşükse, anahtar tek bir MOSFET olabilir.

Göz önünde bulundurmamanız gereken bir nokta, tersine çeviren bir karıştırıcı ile karıştırma düğümünün sanal bir toprak olmasıdır, dolayısıyla giriş akımlarını "karıştırırsınız" ve her bir girişin mevcut "sanal" toprağına gömülür ". Bu büyük bir fayda sağlar: -

Very little cross talk between one input signal and another.

Başka bir deyişle, bir giriş sinyali neredeyse sinyal akımını diğer giriş sinyallerinden karıştırır. Bu , ters çevrilmemiş op-amp mikserde gerçekleşmez, çünkü sinyal seviyeleri birbirine bağlıdır ve bu şekilde bağlanan diğer sinyallerin kaynak empedansları. Bu daha sonra U1 veya U2'yi ana yarışmacılar olarak bırakır:$^1$

Bunun gibi bir karıştırıcıda, karıştırma düğümü ona bağlı olan tüm girişlerden çok acı çeker, bu yüzden U1 kullanan devre için giderdim. Evet, karıştırma düğümünde toprağa daha fazla kapasitans olacak ve bu yüksek frekanslı gürültüye neden olacak, ancak bir sürü girişe sahip olacak ve bu tüm analog mikserlerin karşılaştığı bir sorun olduğundan, düşük giriş gürültülü bir op-amp seçin gerilim yoğunluğu ve Rf boyunca paralel bir kondansatör eklemek için hazır olun.

Ayrıca, yüksek ses frekanslarında analog anahtarların açık devre olmadığını ve kapatıldığı düşünülen bir girişten yüksek spektrumlu bir ses duyulmaya devam edebileceğini de unutmamalısınız.

$^1$ "Zor" kelimesini kullandım çünkü bir op-amp ile sınırlı (ve sonsuz değil) kazanç vardır ve sanal dünya toplama noktası hafif bir soyutlama haline gelir. Bu, sanal toprağın birkaç mV pp'de olabileceği ve daha yüksek frekanslarda (op-amp açık döngü kazancının azaldığı yerde) örneğin 10 mVp-p olabileceği anlamına gelir. Elbette evrim geçirmeyen toplama düğümünden çok daha iyi.

Bazı simülasyonlar yaptıktan sonra τεκ'nun çözümünü çok iyi sonuçlarla geliştirdim, geliştirdim ve değiştirdim:

NE5532 kullandığım gerçek opamp. FET'i şematikte önemsemeyin. Rdson = 40 mOhm ila 10 mOhm arasında değişen birkaç FET ile test ettim ve karışma sadece 10 mOhm FET'ler için kabul edilebilir. Bunları bulmak kolaydır. 5V toleranslı açık kollektör çıkışları ile bir µC'den kontrol etmek istediğim için 4.5V ile tamamen açık olmaları gerektiğini unutmayın.

Bu tasarım gürültü ve karışma arasında bir ayrımdır. dirençlerin hepsi aynı anda ölçeklenir ve çapraz gürültüyü (sızıntı) belirleyen R13 ve R16, termal gürültüyü belirleyen R13, R15, R16, R18'dir. 1k ohm'dan 2k ohm'a değişim açıkça duyulabilir.

Bu açıkça DC bağlı sistemler için işe yaramaz, her şey FET'lerin işlevinde orta raylı önyargılıdır.

Çok iyi orta ray ayrıştırma işlemi, çevre devrelerden herhangi bir etki yaratmamak için son derece önemlidir.

Ancak yukarıdaki şematik, sesli bir bozulma olmadan, kesinlikle minimum gürültü ve karışma ile tweaking multiplexes.

Herhangi birinin merak etmesi durumunda, FET'lerin tahliyesindeki voltajı tanımlamak için R14 ve R17 vardır. Aksi takdirde bu voltaj, kuplaj kapasitörlerinin sızıntısına bağlı olacaktır.

Bu çoklayıcı versiyonunun çözülmesi zor bir büyük dezavantajı olduğunu unutmayın: FET'lerden herhangi birini kapatırken çıktı son derece plops. Bunun nedeni, DC sapmasının FET tahliyesini toprağa çekerek bozulmasıdır. Bu, yeni bir dengeye ulaşmadan önce bağlantı kapaklarından geçer. Ama çoklayıcı anahtarlama sırasında çıkışlar dijital olarak kısaca kapatılacağı için benim uygulamada bir sorun değil.

Fiyat için daha iyi alternatifler olduğunu hayal edemiyorum, dezavantajları yönetilebilir, gürültü ve ses üst çentik vardır.