如何使用模拟开关动态切换音频和视频信号

在切换音频和视频信号时，难点在于如何避免引入噪声，以及因设备电阻或附带电容导致的信号损失。虽然 CMOS 模拟开关既有效又高效，但设计人员需要了解关键的参数折衷才能正确使用它们。在音频或视频信号源间切换可能非常棘手。大多数机械开关或继电器并非为切换多媒体信号而设计，并且可能产生干扰，例如较大的爆音或视觉干扰。开关电路可以从头设计，但这会增加设计复杂性和时间。
       为解决此问题，可以使用简单的 CMOS 模拟开关。它们的工作原理与小型半导体继电器相似，允许电流在两个方向流动，且损耗较低。凭借先开后合和低导通电阻等特性，可消除切换期间的音频或视觉噪声，同时减少信号损失。但在实践中，在使用模拟开关之前，设计人员还需要考虑各种规格的权衡。本文将首先讨论模拟开关基础知识和相关的设计权衡，然后介绍合适的解决方案及其使用方法。

模拟开关使用并行的 P 沟道 MOSFET 与 N 沟道 MOSFET 来创建双向开关。ON Semiconductor 的 NS5B1G384 SPST 常闭模拟开关便是一个简单的 CMOS 模拟开关示例（图 1）。控制输入根据器件配置是常开 (NO) 还是常闭 (NC)，将适当的逆变和非逆变信号发送到 MOSFET 栅极。

 图 1：简单 SPST 模拟开关的高级表示。单个触点根据控制输入信号 IN 的状态来接通和断开
        理想情况下，模拟开关应具有尽可能低的开关电阻 (RON)。实现方法是设计 CMOS 开关，通过增加 MOSFET 漏极/源极面积，为电子流动创造更多表面积并降低导通电阻。但是，增加表面积具有增大寄生电容的缺点。在较高频率下，此寄生电容可能成为一个问题，即形成低通滤波器从而导致失真。电容器还会因充电和放电时间而导致传播延迟。
        在为给定应用选择 CMOS 开关时，权衡 RON 与寄生电容是关键。并非每个应用都需要低 RON，并且在某些情况下，模拟开关与电阻负载串联，使得 RON 可以忽略不计。但对于视频信号，权衡 RON 与寄生电容就变得很重要。随着 RON 的减小，寄生电容会增加。这会切断高频信号，导致带宽降低或失真。
        对于图 1 所示的 NS5B1G384 案例而言，该器件具有 4.0 Ω（典型值）的较低 RON。寄生电容非常低，为 12 皮法 (pF)，因而此开关可适用高至 330 MHz 的信号。

要在两个音频信号输出之间切换音频输入信号，须将音频输入连接到两个 NS5B1G384 开关的 COM 引脚。将每个开关的 NC 引脚连接到其各自的变换器，例如耳机和扬声器。请注意，一次只能选择一个 IN 引脚。

在此配置中，模拟开关的导通时间和关断时间变得很重要。对于 NS5B1G384，导通时间为 6.0 纳秒 (ns)，关断时间为 2.0 ns。使用多个开关时，更快的关断时间可实现先开后合功能。这确保了在连接一个开关之前先断开另一个开关，从而防止两个负载同时连接。这还减少了在切换音频信号时不时在音频设备上听到的爆音。

另一种在两个音频信号输出之间切换的替代解决方案是使用两个 SPDT 模拟开关。例如，Analog Devices 的 ADG884BCPZ-REEL 在一个封装中包含了两个 SPDT 模拟开关。使用 5 V 电源时，两个开关的 RON 都很低，介于 0.28 Ω（典型值）和 0.41 Ω（最大值）之间，因而适合低损耗音频信号切换。但如此低的 RON 也要付出代价。开关打开时，模拟开关触点之间的寄生电容为 295 pF。

ADG884 可通过开关处理 400 mA 电流，因而适合从音频放大器直接驱动扬声器（图 2）。

 图 2：该基本电路使用单个 Analog Devices ADG884 在两个音频输出设备之间切换
        为了最大限度降低 EMI 将噪声注入音频输出的可能性，音频放大器在印刷电路板上的位置应尽可能靠近 ADG884。耳机插孔也应尽可能靠近 ADG884。如果扬声器不使用插孔，则应在 ADG884 和扬声器之间使用屏蔽音频线。
        如果音频输入信号为差分对，则信号对 S1A/S1B、S2A/S2B 和 D1/D2 在印刷电路板上的布线位置应彼此相邻，以抵消任何共有干扰，进而消除扬声器或耳机的噪声。