Come utilizzare gli interruttori analogici per commutare dinamicamente i segnali audio e video

Quando si commutano i segnali audio e video, il rischio è quello di introdurre rumore e provocare la perdita di segnale a causa delle resistenze del dispositivo o della capacitanza accidentale. Gli interruttori analogici basati su CMOS sono efficaci ed efficienti ma, per applicare correttamente i parametri cruciali, i progettisti devono essere consapevoli dei compromessi che comportano.

La commutazione tra le sorgenti dei segnali audio o video può essere insidiosa. La maggior parte degli interruttori o dei relè meccanici non sono progettati per commutare segnali multimediali e possono creare interferenze a livello video o un forte rumore audio. I circuiti di commutazione possono essere progettati da zero, ma questo aumenta la complessità e allunga i tempi.

Per risolvere il problema, è possibile utilizzare dei semplici interruttori analogici basati su CMOS che fungono da piccoli relè a semiconduttore e consentono il flusso di corrente in entrambe le direzioni con basse perdite. Funzionalità quali "break-before-make" (interrompi prima di attivare) e la bassa resistenza in stato attivato rimuovono il rumore audio o video durante la commutazione riducendo allo stesso tempo la perdita di segnale.

In pratica, tuttavia, prima di utilizzare gli interruttori analogici i progettisti devono prendere in considerazione i compromessi che comportano in materia di specifiche. Questo articolo prenderà in esame i fondamenti degli interruttori analogici e i relativi compromessi di progettazione e illustrerà poi le soluzioni adeguate e come usarle.

I fondamenti degli interruttori analogici

Un interruttore analogico utilizza un MOSFET a canale N in parallelo con un MOSFET a canale P per creare un interruttore bidirezionale. Un esempio semplice di interruttore analogico basato su CMOS è l'interruttore analogico normalmente chiuso SPST NS5B1G384 di ON Semiconductor (Figura 1). L'ingresso di controllo invia i segnali invertenti e non invertenti appropriati ai gate MOSFET, a seconda che il dispositivo sia configurato come normalmente aperto (NO) o normalmente chiuso (NC).

Figura 1: Rappresentazione di alto livello di un interruttore analogico SPST semplice. Un contatto singolo viene attivato o disattivato in base allo stato del segnale di ingresso di controllo IN. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Idealmente, l'interruttore analogico dovrebbe avere una resistenza di commutazione (R_ON) il più bassa possibile. Per raggiungere questo obiettivo, l'interruttore basato su CMOS deve essere progettato in modo che l'area del drain/source del MOSFET sia maggiore, creando una superficie più ampia per il flusso di elettroni e riducendo la resistenza nello stato attivo.

Tuttavia, l'aumento della superficie ha l'inconveniente di aumentare la capacità parassita. A frequenze più alte, questa capacità parassita può diventare un problema, poiché crea un filtro passa-basso che causa distorsione. Il condensatore determina anche un ritardo di propagazione dovuto al tempo di carica e scarica del condensatore. Questo ritardo dipende dalla resistenza di carico e da R_ON, e viene dato tramite:

dove R_L = resistenza di carico.

Questo compromesso tra R_ON e la capacità parassita è un fattore cruciale da valutare al momento di scegliere un interruttore basato su CMOS per una determinata applicazione. Non tutte le applicazioni richiedono un basso valore R_ON e in alcuni casi l'interruttore analogico è posizionato in serie con un carico resistivo tale per cui R_ON è trascurabile. Per i segnali video, tuttavia, il compromesso tra R_ON e capacità parassita si fa importante. La capacità parassita aumenta con la riduzione di R_ON. Le frequenze vengono di conseguenza tagliate e diminuisce la larghezza di banda o la distorsione.

Il dispositivo NS5B1G384 riportato nella Figura 1 ha un valore R_ON moderatamente basso di 4,0 Ω (tipico). La sua capacità parassita è di soli 12 picofarad (pF), per cui può essere usato per segnali fino a 330 MHz.

Commutazione di una singola sorgente audio

Per commutare un segnale di ingresso audio tra due uscite del segnale audio, l'ingresso audio è collegato ai pin COM di due interruttori NS5B1G384. Il pin NC di ciascun interruttore è collegato al rispettivo trasduttore, ad esempio un auricolare e un diffusore. Tenere presente che occorre selezionare un solo pin IN alla volta.

In questa configurazione, diventano importanti il tempo di attivazione e il tempo di disattivazione degli interruttori analogici. Per NS5B1G384, il tempo di attivazione è di 6,0 nanosecondi (ns) e quello di disattivazione è di 2,0 ns. Quando si utilizzano più interruttori, il tempo di disattivazione più rapido offre una funzionalità "break-before-make" (interrompi prima di attivare). Di conseguenza, un interruttore viene scollegato prima che ne venga collegato un altro, evitando il collegamento in contemporanea di due carichi. Questo riduce anche il crepitio emesso a volte dall'apparecchiatura audio quando i segnali audio commutano.

Commutazione di una sorgente audio differenziale

Una soluzione alternativa alla commutazione tra due uscite del segnale audio consiste nell'utilizzare due interruttori analogici SPDT. Ad esempio, ADG884BCPZ-REEL di Analog Devices ha due interruttori analogici SPDT in un unico contenitore. Con un'alimentazione di 5 volt, ogni interruttore ha un valore R_ON molto basso, tra 0,28 Ω (tipico) e 0,41 Ω (max), il che lo rende idoneo per la commutazione di segnai audio a basse perdite. Tuttavia, questo basso R_ON ha un prezzo. Quando l'interruttore analogico è attivo, la capacità parassita tra i suoi contatti è di 295 pF.

ADG884 è in grado di gestire 400 mA attraverso gli interruttori, ed è pertanto idoneo per pilotare direttamente i diffusori da un amplificatore audio (Figura 2).

Figura 2: Questo circuito base utilizza un singolo ADG884 di Analog Devices per la commutazione tra due dispositivi di uscita audio. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Per ridurre al minimo la possibilità che sull'uscita audio sia immesso rumore EMI, l'amplificatore audio deve essere posizionato il più vicino possibile ad ADG884 sulla scheda a circuiti stampati. Lo stesso dicasi per lo spinotto dell'auricolare. Se il diffusore non utilizza uno spinotto, è necessario utilizzare un cavo audio schermato tra ADG884 e il diffusore.

Se il segnale di ingresso audio è una coppia differenziale, il segnale accoppia S1A/S1B, S2A/S2B e, per eliminare qualsiasi interferenza condivisa, D1/D2 dovrebbero essere instradati l'uno accanto all'altro sulla scheda a circuiti stampati, eliminando in tal modo il rumore dal diffusore o dall'auricolare.

Eliminazione del crepitio durante la commutazione

Per migliorare ulteriormente la qualità dei segnali audio commutati quando si utilizzano amplificatori di grande potenza, è necessario utilizzare resistori di shunt per rimuovere qualsiasi carica accumulatasi all'uscita dell'amplificatore audio. Per semplificare questa operazione, in alcuni interruttori analogici sono incorporati dei resistori di shunt. Ne è un buon esempio l'interruttore analogico DPDT MAX14594EEWL+T di Maxim Integrated.

Per eliminare il crepitio in fase di commutazione da un amplificatore audio, MAX14594E è dotato della funzionalità BBM (break-before-make). Prevede inoltre resistori di shunt interni per scaricare i condensatori di accoppiamento dell'ingresso dell'amplificatore audio quando gli interruttori si aprono (Figura 3).

Figura 3: In questo circuito, MAX14594E ha due resistori di shunt interni da 500 Ω che scaricano i condensatori di uscita dell'amplificatore audio sui pin NO1 e NO2 per evitare un crepitio percepibile. Le posizioni dell'interruttore per questo esempio di applicazione sono indicate con un ingresso di controllo basso. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

MAX14594E è un interruttore analogico DPDT utilizzabile per commutare contemporaneamente entrambe le linee di un segnale audio utilizzando un singolo ingresso di controllo, CB. R_ON ha un valore di 0,25 Ω mentre la capacità parassita è di 50 pF. Tenere presente che, rispetto a NS5B1G384, R_ON è molto più basso ma, per contro, la capacità parassita è molto più alta.

In riferimento alla Figura 3, il CB viene abbassato per collegare NC1 e NC2 rispettivamente a COM1 e COM2. Allo stesso tempo, l'uscita dell'amplificatore audio su NO1 e NO2 viene collegata ai resistori di shunt. Quando il CB viene aumentato, NO1 e NO2 vengono collegati rispettivamente a COM1 e COM2, mentre i resistori di shunt vengono scollegati.

MAX14594E può essere controllato per mezzo di un microcontroller con un livello GPIO di 1,8 volt o superiore, dato che il CB ha una soglia alta della logica di 1,4 volt. Collegando un pin GPIO con un piccolo condensatore di circa 0,1 microfarad (µF) tra il pin CB e la terra si regolarizzano i transitori.

Commutazione dei segnali video

Le cose si fanno più complesse quando si commutano i segnali video poiché, avendo una frequenza più elevata, il compromesso tra R_ON e capacità parassita è significativo. Gli interruttori analogici con un basso R_ON hanno una maggiore capacità parassita, cosa che riduce la larghezza di banda e comporta una qualità audio più scadente.

Di conseguenza, per la commutazione video è consigliato utilizzare interruttori analogici con un R_ON più elevato, malgrado la loro capacità parassita più bassa. Tuttavia, questo riduce l'ampiezza del segnale video che deve essere compensata aggiungendo altri amplificatori video. Poiché potrebbe essere necessario commutare contemporaneamente più segnali ad alta frequenza, per evitare la perdita di segnale è importante che il circuito stampato sia il più compatto possibile. Per raggiungere più agevolmente questo obiettivo, è fondamentale selezionare interruttori analogici altamente integrati.

Ad esempio, QS4A110QG di Integrated Device Technology (IDT) è un doppio interruttore analogico 5PST per applicazioni di commutazione di segnali video ad alta velocità. Ha un valore R_ON moderatamente basso di 5 Ω e una capacità parassita estremamente bassa di 10 pF, cosa che consente una larghezza di banda di 1,8 GHz (Figura 4).

Figura 4: QS4A110 è un doppio interruttore analogico 5PST altamente integrato, con una larghezza di banda di 1,8 GHz, che ne consente l'uso per la commutazione dei segnali video. (Immagine per gentile concessione di IDT)

Guardando alla Figura 4, può essere facilmente convertito in interruttore singolo 5PDT collegando i segnali A(x) e B(x) fra loro in modo che le uscite commutate siano C o D. Dato che entrambi i segnali di controllo E1# ed E2# sono attivi bassi, un segnale logico collegato a un singolo segnale di controllo con invertitore e all'altro segnale di controllo con un buffer non invertente, consente di scegliere l'uscita. Anche se il buffer non invertente è opzionale, è buona pratica includerlo per evitare che le uscite dell'interruttore entrino in competizione tra loro.

QS4A110 ha un tempo di attivazione di 6 ns e uno di disattivazione di 6,5 ns (max). Di conseguenza, i tempi di attivazione e di disattivazione in un circuito sono di fatto il ritardo RC dell'interruttore e della capacità di carico.

Conclusione

Gli interruttori analogici sembrano facili da progettare in un circuito, ma non sono idonei per qualsiasi applicazione. Il compromesso tra un R_ON più basso e una capacità parassita più alta, o tra un R_ON più alto e una capacità parassita più bassa ha ripercussioni sulla loro larghezza di banda. È quindi fondamentale scegliere un dispositivo con le caratteristiche adeguate per la progettazione interessata.