Verwendung analoger Schalter zum dynamischen Umschalten von Audio- und Videosignalen

Von Bill Giovino

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Beim Umschalten von Audio- und Videosignalen besteht die Herausforderung darin, dies ohne Rauschen zu erreichen und gleichzeitig Signalverluste durch Gerätewiderstände oder unkontrolliert auftretende Kapazitäten zu vermeiden. CMOS-Analogschalter sind zwar effizient und effektiv, aber wenn sie richtig eingesetzt werden sollen, müssen wichtige Kompromisse bei den Parametern beachtet werden.

Das Umschalten zwischen Audio- oder Videosignalen kann knifflig sein. Die meisten mechanischen Schalter oder Relais sind nicht für das Schalten von Multimediasignalen ausgelegt und führen zu Störungen, z. B. zu lautem Knacken oder Bildstörungen. Die Schaltelektronik kann von Grund auf neu konstruiert werden, aber dies ist kompliziert und zeitaufwendig.

Dieses Problem kann mit einfachen CMOS-Analogschaltern gelöst werden. Diese Schalter verhalten sich wie kleine Halbleiterrelais und erlauben den Stromfluss in beide Richtungen ohne Verluste. Durch Merkmale wie „Break-Before-Make“ und einen geringen Einschaltwiderstand können Audio- oder Videorauschen vermieden und Signalverluste reduziert werden.

In der Praxis müssen bei Analogschaltern vor dem Einsatz allerdings Kompromisse bei den Spezifikationen gemacht werden. In diesem Artikel werden die Grundlagen von Analogschaltern und die erforderlichen Kompromisse behandelt, bevor geeignete Lösungen und deren Anwendung vorgestellt werden.

Grundlagen der Analogschalter

In einem Analogschalter bilden ein N-Kanal-MOSFET und ein dazu parallel geschaltetes P-Kanal-MOSFET einen bidirektionalen Schalter. Ein einfaches Beispiel für einen CMOS-Analogschalter ist der in Ruhestellung geschlossene analoge SPST-Schalter NS5B1G384 von ON Semiconductor (Abbildung 1). Der Steuereingang sendet je nach Konfiguration (im Ruhezustand offen, NO, oder im Ruhezustand geschlossen, NC) das entsprechende invertierte oder nicht invertierte Signal an die MOSFET-Gates.

Schematische Darstellung eines einfachen SPST-Analogschalters

Abbildung 1: Schematische Darstellung eines einfachen SPST-Analogschalters. Ein einziger Kontakt wird je nach Zustand des Steuer-Eingangssignals IN ein- oder ausgeschaltet. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Idealerweise sollte der Schaltwiderstand (RON) so gering wie möglich sein. Dies wird dadurch erreicht, dass der CMOS-Schalter so ausgelegt wird, dass der Source- und Drain-Bereich des MOSFETs vergrößert wird, sodass die Oberfläche für den Durchfluss der Elektronen vergrößert und der ON-Widerstand verringert wird.

Ein Vergrößern der Oberfläche hat allerdings den Nachteil, dass sich die parasitäre Kapazität erhöht. Bei höheren Frequenzen kann die parasitäre Kapazität zu einem Problem werden, da ein Tiefpass entsteht, der zu Verzerrungen führt. Dieser Kondensator führt darüber hinaus zu einer durch das Laden und Entladen verursachten Laufzeitverzögerung. Diese Verzögerung hängt vom Lastwiderstand und von RON ab und wird durch

Gleichung 1

angegeben, wobei RL = Lastwiderstand.

Dieser Kompromiss zwischen RON und der parasitären Kapazität ist bei der Wahl eines CMOS-Schalters für einen bestimmten Einsatzweck entscheidend. Nicht für jeden Zweck ist ein niedriger RON erforderlich, und in manchen Fällen ist der Analogschalter mit einer Widerstandslast in Reihe geschaltet, sodass RON vernachlässigt werden kann. Bei Videosignalen ist die Abwägung zwischen RON und parasitärer Kapazität dagegen wichtig. Wenn RON sinkt, steigt die parasitäre Kapazität an. Dies schneidet hohe Frequenzen ab und führt zu einer geringeren Bandbreite oder zu Verzerrungen.

Im Falle des NS5B1G384 aus Abbildung 1 liegt der RON bei 4,0 Ω (typisch) und ist damit relativ klein. Die parasitäre Kapazität ist mit 12 Picofarad (pF) sehr klein. Damit eignet sich der Schalter für Signale bis zu 330 MHz.

Umschalten einer asymmetrischen Audioquelle

Zum Umschalten eines Audio-Eingangssignals zwischen zwei Audio-Ausgängen wird der Audio-Eingang an die COM-Pins von zwei Schaltern vom Typ NS5B1G384 angeschlossen. Die NC-Pins der Schalter werden mit dem jeweiligen Wandler, z. B. einem Headset und einem Lautsprecher, verbunden. Beachten Sie, dass jeweils nur ein IN-Pin gleichzeitig aktiviert werden darf.

In dieser Konfiguration wird die Ein- und Ausschaltzeit der Analogschalter wichtig. Beim NS5B1G384 beträgt die Einschaltzeit 6,0 Nanosekunden (ns) und die Ausschaltzeit 2,0 ns. Wenn mehrere Schalter verwendet werden, bewirkt die kürzere Ausschaltzeit einen Break-Before-Make-Effekt. Dies stellt sicher, dass der eine Schalter geöffnet ist, bevor der andere geschlossen wird, sodass nicht zwei Lasten gleichzeitig durchgeschaltet werden können. Dadurch wird auch das manchmal bei Audioanlagen beim Umschalten von Signalen hörbare Knacken reduziert.

Umschalten einer differenziellen Audioquelle

Eine Alternative zum Umschalten zwischen Audiosignalen besteht darin, zwei SPDT-Analogschalter zu verwenden. Der ADG884BCPZ-REEL von Analog Devices besteht z. B. aus zwei SPDT-Analogschaltern in einem Gehäuse. Mit einer Versorgungsspannung von 5 V hat jeder der Schalter einen sehr niedrigen RON zwischen 0,28 Ω (typisch) und 0,41 Ω (max), womit sie sich für das Schalten von Audiosignalen mit geringen Verlusten eignen. Allerdings hat ein derart niedriger RON seinen Preis. Die parasitäre Kapazität zwischen den Kontakten des analogen Schalters im eingeschalteten Zustand beträgt 295 pF.

Der ADG884 hält eine Stromstärke von 400 mA durch die Schalter aus. Damit eignet er sich für die direkte Ansteuerung von Lautsprechern durch einen Audioverstärker (Abbildung 2).

Diagramm einer Grundschaltung mit einem einzelnen ADG884 von Analog Devices

Abbildung 2: Bei der Grundschaltung schaltet ein einzelner ADG884 von Analog Devices zwischen zwei Audio-Ausgabegeräten um. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Um die Möglichkeit des Entstehens von Rauschen durch elektromagnetische Störungen am Audioausgang zu verringern, sollte der Audioverstärker auf der Platine so nahe wie möglich am ADG884 positioniert werden. Die Kopfhörerbuchse sollte sich ebenfalls so nahe wie möglich am ADG884 befinden. Wenn die Lautsprecher nicht über eine Buchse angeschlossen werden, sollte der Lautsprecher über ein geschirmtes Audiokabel an den ADG884 angeschlossen werden.

Wenn es sich bei dem Audio-Eingangssignal um ein differenzielles Paar handelt, sollten die Signalpaare S1A/S1B, S2A/S2B und D1/D2 auf der Platine direkt nebeneinandergelegt werden, um gemeinsame Störungen auszulöschen und damit Rauschen von den Lautersprechern oder vom Kopfhörer fernzuhalten.

Vermeiden von Knackgeräuschen beim Umschalten

Zur weiteren Verbesserung der Qualität beim Umschalten von Audiosignalen beim Einsatz von Hochleistungsverstärkern sollten sich am Ausgang des Audioverstärkers aufbauende Ladungen über Shunt-Widerstände abgeleitet werden. Zur Vereinfachung dieses Vorhabens verfügen manche Schalter über eingebaute Shunt-Widerstände. Ein gutes Beispiel ist der DPDT-Analogschalter MAX14594EEWL+T von Maxim Integrated.

Um das Knackgeräusch beim Abschalten eines Audioverstärkers zu vermeiden, besitzt der MAX14594E eine Break-Before-Make-Funktion und zusätzlich interne Shunt-Widerstände, die die Kopplungskondensatoren am Eingang des Audioverstärkers beim Öffnen des Schalters entladen (Abbildung 3).

Schaltbild des Maxim MAX14594E mit seinen zwei internen 500 Ω-Shunt-Widerständen

Abbildung 3: In die Schaltung des MAX14594E sind zwei interne 500 Ω-Shunt-Widerstände integriert, über die die Kondensatoren am Ausgang des Audioverstärkers an den Pins NO1 und NO2 entladen werden, um ein hörbares Knacken zu verhindern. Die Schalterpositionen für dieses Anwendungsbeispiel sind mit auf Low gezogenem CB dargestellt. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Der MAX14594E ist ein DPDT-Analogschalter, der die beiden Leitungen eines Audiosignals gleichzeitig über den Steuereingang CB schalten kann. RON liegt bei 0,25 Ω und die parasitäre Kapazität beträgt 50 pF. Beachten Sie, dass RON im Vergleich zum NS5B1G384 erheblich niedriger und die parasitäre Kapazität daher erheblich höher ist.

Bezüglich Abbildung 3 wird CB auf Low gezogen, um NC1 und NC2 jeweils mit COM1 und COM2 zu verbinden. Gleichzeitig wird damit der Ausgang des Audioverstärkers an NO1 und NO2 mit den Shunt-Widerständen verbunden. Wenn CB auf HI gezogen wird, werden NO1 und NO2 jeweils mit COM1 und COM2 verbunden und gleichzeitig wird die Verbindung mit den Shunt-Widerständen getrennt.

Der MAX14594E kann über einen Mikrocontroller mit einem GPIO-Pegel von 1,8 V oder höher gesteuert werden, da der Schwellenwert für den logischen HI-Pegel von CB bei 1,4 V liegt. Durch Verbinden eines GPIO-Pins mit einem kleinen Kondensator von etwa 0,1 Mikrofarad (µF) zwischen dem CB-Pin und Masse werden etwaige Transienten geglättet.

Umschalten von Videosignalen

Bei Schalten von Videosignalen werden die Dinge komplizierter, da der Kompromiss zwischen RON und parasitärer Kapazität wegen der höheren Frequenzen der Signale wichtig wird. Die höhere parasitäre Kapazität von Analogschaltern mit niedrigem RON reduziert die Bandbreite und führt zu schlechterer Videoqualität.

Daher ist im Prinzip für das Schalten von Videosignalen die Verwendung von Analogschaltern mit höherem RON und entsprechend niedrigerer parasitärer Kapazität zu empfehlen. Dadurch verringert sich allerdings die Amplitude des Videosignals, was durch zusätzliche Videoverstärker kompensiert werden muss. Da möglicherweise mehrere Videosignale gleichzeitig umgeschaltet werden müssen, muss die Leiterplatte so kompakt wie möglich sein, um Signalverluste zu vermeiden. Zur Erreichung dieses Ziels ist der Einsatz von hochintegrierten Analogschaltern unabdingbar.

Der QS4A110QG von Integrated Device Technology (IDT) ist beispielsweise ein dualer 5PST-Analogschalter, der für das Schalten von Hochgeschwindigkeits-Videosignalen bestimmt ist. Er hat einen recht niedrigen RON von 5 Ω und eine extrem geringe parasitäre Kapazität von 10 pF. Dies ermöglicht eine Bandbreite von 1,8 GHz (Abbildung 4).

Schaltbild des hochintegrierten dualen 5PST-Analogschalters QS4A110 von Integrated Device Technology

Abbildung 4: Der QS4A110 ist ein hochintegrierter dualer 5PST-Analogschalter mit einer Bandbreite von 1,8 GHz. Damit eignet er sich für das Schalten von Videosignalen. (Bildquelle: IDT)

Wie auf Abbildung 4 zu erkennen ist, kann er einfach in einen einzelnen 5PDT-Schalter verwandelt werden, indem die Signale A(x) und B(x) miteinander verbunden werden, sodass entweder Ausgang C oder Ausgang D geschaltet wird. Da die beiden Signale E1# und E2# Active-Low sind, kann der Ausgang durch Verbindung eines Logiksignals mit einem Steuersignal über einen Inverter und mit dem anderen Steuersignal über einen nichtinvertierenden Puffer ausgewählt werden. Der nichtinvertierende Puffer ist nicht obligatorisch, aber zu empfehlen, um eine Wettlaufsituation zwischen den Ausgängen des Schalters zu vermeiden.

Der QS4A110 hat eine Einschaltzeit von 6 ns und eine Ausschaltzeit von 6,5 ns (max).  Die Ein- und Ausschaltzeiten innerhalb einer Schaltung sind effektiv die RC-Verzögerung des Schalters und der Lastkapazität.

Fazit

Analogschalter können auf den ersten Blick einfach in eine Schaltung integriert werden, aber es eignet sich nicht jeder für jeden Zweck. Der Kompromiss zwischen niedrigerem RON und höherer parasitärer Kapazität bzw. höherem RON und niedrigerer parasitärer Kapazität hat Einfluss auf die Bandbreite. Daher ist die Auswahl der Baugruppe mit den geeigneten Kennwerten für den beabsichtigten Einsatz entscheidend.

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Über den Autor

Bill Giovino

Bill Giovino ist Elektronikingenieur mit einem BSEE von der Syracuse University und einer der wenigen, die erfolgreich vom Entwicklungsingenieur über den Anwendungsingenieur zum Technologiemarketing wechselten.

Seit über 25 Jahren wirbt Bill für neue Technologien vor technischem und nicht-technischem Publikum für viele Unternehmen, darunter STMicroelectronics, Intel und Maxim Integrated. Während seiner Zeit bei STMicroelectronics trug Bill dazu bei, die frühen Erfolge des Unternehmens in der Mikrocontroller-Industrie voranzutreiben. Bei Infineon inszenierte Bill die ersten Erfolge des Unternehmens im Bereich Mikrocontroller-Design in den USA. Als Marketingberater für sein Unternehmen CPU Technologies hat Bill vielen Unternehmen geholfen, unterbewertete Produkte in Erfolgsgeschichten zu verwandeln.

Bill war zudem ein früher Anwender des Internets der Dinge, einschließlich der Implementierung des ersten vollständigen TCP/IP-Stacks auf einem Mikrocontroller. Die Botschaft von „Verkauf durch Aufklärung“ und die zunehmende Bedeutung einer klaren, gut geschriebenen Kommunikation bei der Vermarktung von Produkten im Internet sind Bills Anliegen. Er ist Moderator der beliebten „Semiconductor Sales & Marketing Group“ auf LinkedIn und spricht fließend B2E.

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