采用模拟开关如何实现音频和视频信号切换的设计

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。

模拟开关基础知识

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。（图片来源：ON Semiconductor）

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。该延迟取决于负载电阻和 RON，计算方法如下：

其中 RL = 负载电阻。

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。

切换单一音频来源

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。

切换差分音频信源

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。（图片来源：Digi-Key Electronics）

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。

消除切换期间的爆音

为了进一步提高使用高功率放大器时的开关音频信号质量，应使用分流电阻器去除音频放大器输出端的任何累积电荷。为简化此操作，一些模拟开关采用内置的分流电阻器。Maxim Integrated 的 MAX14594EEWL+T DPDT 模拟开关就是一个很好的例子。

为了消除从音频放大器切换时的爆音，MAX14594E 采用先开后合的操作设计，并提供内部分流电阻器，以便在开关打开时对音频放大器的输入耦合电容器进行放电（图 3）。

图 3：此电路中的 MAX14594E 带有两个 500 Ω 内部分流电阻，可在引脚 NO1 和 NO2 处对音频放大器的输出电容器进行放电，以防止发出可闻爆音。此应用示例的开关位置如图所示已拉低 CB。（图片来源：Maxim Integrated）

MAX14594E 是一个 DPDT 模拟开关，可以使用一个控制输入 CB 同时切换两路音频信号。RON 为 0.25 Ω，寄生电容为 50 pF。请注意，与 NS5B1G384 相比，RON 要低得多，但寄生电容要高得多。

参考图 3，CB 被拉低，以分别将 NC1 和 NC2 连接到 COM1 和 COM2。同时，它将 NO1 和 NO2 处的音频放大器输出连接到分流电阻器。当 CB 被拉高时，NO1 和 NO2 分别连接到 COM1 和 COM2，同时也断开了分流电阻器。

MAX14594E 可由微控制器使用 1.8 伏或更高的 GPIO 电平进行控制，因为 CB 具有 1.4 伏的逻辑高阈值。将 GPIO 引脚与 CB 引脚和接地之间约 0.1 微法 (µF) 的小电容器相连，可以消除任何瞬变。

切换视频信号

当切换视频信号时，情况变得更加复杂。由于信号频率更高，RON 与寄生电容的权衡变得非常重要。RON 较低的模拟开关具有更大的寄生电容，这会降低带宽，并导致视频质量下降。

因此，建议使用 RON 较高且相应的寄生电容较低的模拟开关进行视频切换。但这会降低视频信号的幅度，因此必须通过增加额外的视频放大器来进行补偿。由于可能需要一次切换多个高频信号，因此必须使电路板设计尽可能紧凑，以避免信号损失。为此，选择高度集成的模拟开关至关重要。

例如，Integrated Device Technology (IDT) 的 QS4A110QG 便是一款面向高速视频信号切换应用的双 5PST 模拟开关。它具有 5 Ω 的较低 RON 和 10 pF 的极低寄生电容，可支持 1.8 GHz 的带宽（图 4）。

图 4：QS4A110 是一款高度集成的双 5PST 模拟开关，带宽为 1.8 GHz，可用于切换视频信号。（图片来源：IDT）

从图 4 可知，通过将 A(x) 和 B(x) 信号彼此连接，使得开关输出非 C 即 D，可以很轻松地将其转换为单 5PDT 开关。由于控制信号 E1# 和 E2# 均为低电平有效，将逻辑信号通过逆变器连接到一个控制信号，并通过非逆变缓冲器连接到另一个控制信号，便可实现输出选择。虽然非逆变缓冲器是可选的，但最好将其包括在内，以防止开关输出之间出现争用状况。

QS4A110 的导通时间为 6 ns，关断时间为 6.5 ns（最大值）。电路中的导通和关断时间实际上是开关和负载电容的 RC 延迟。

总结

在电路设计中采用模拟开关看似轻松，但实际需要因地制宜。模拟开关中存在较低 RON 与较高寄生电容，或较高 RON 与较低寄生电容的权衡，这会直接影响其带宽。针对目标设计选择具有合适特征的器件，才是至关重要的。