multiplexage analogique à faible bruit et faible distorsion

J'essaie de concevoir un circuit d'ampli op à faible bruit, faible distorsion et à faible coût pour multiplexer les signaux analogiques (audio). L'expérience, la recherche et certaines expérimentations m'ont déjà conduit aux composants suivants en combinaison avec une alimentation électrique à faible bruit:

• NE / SA5532A double ampli-op à faible bruit (fiche technique)
• Commutateur CMOS analogique HEF4053B (fiche technique)

Cette question concerne essentiellement l'intégration du commutateur. Je sais que les relais sont une alternative aux commutateurs CMOS, mais à environ 5 à 10 fois le coût, ils ne sont pas vraiment une option dans cette conception.

Il y a eu de bonnes questions avec des réponses sensées sur les circuits d'amplificateurs opérationnels à gain variable (commutable), par exemple ici . Cette question ne concerne pas cette question, comme le suggère le titre. Mais soyez indulgents avec moi et laissez-moi vous en parler en introduction.

Considérez ce circuit à gain variable:

La position des interrupteurs dans ce circuit est parfaite. Ils sont au niveau du sol, donc aucun décalage n'influence la résistance de commutation. Par conséquent, dans cette position, les commutateurs ne génèrent pas de distorsion de modulation.

Dans le chemin du signal, les commutateurs sont également éloignés des broches d'entrée de l'ampli-op sensible. Rin, Rf, Rg1 et Rg2 peuvent tous être situés très près des broches d'entrée. Si le commutateur se trouvait du côté de l'entrée de l'ampli op, ce ne serait pas possible.

Maintenant au cœur de ma question. Voici 4 configurations différentes possibles de multiplexage d'entrée et aucune d'entre elles ne se rapproche de la configuration idéale ci-dessus de la solution à gain variable.

Le circuit autour de U3 est là pour être complet, mais c'est le moins sensible.

Dans les circuits autour de U2 et U4, les commutateurs voient un niveau de tension variable et cela entraînera une distorsion de modulation.

Le circuit autour de U1 a les commutateurs à la masse virtuelle, mais leur position est également à la broche d'entrée inverseuse. J'ai mis cela en œuvre dans le passé et par expérience, cette disposition conduit à une sensibilité élevée au bruit. Je ne parle pas du bruit inhérent au circuit, mais du bruit de l'électronique environnante.

Ma question est de savoir si quelqu'un a l'expérience du meilleur compromis qui puisse être fait, ou peut suggérer des astuces qui peuvent contourner les inconvénients résumés ici, ou peut suggérer un schéma intelligent et différent qui atteint le même objectif.

Éditer

Dans les réponses et commentaires, plusieurs aspects de la question principale ont été abordés. En substance, je posais des questions sur la meilleure topologie et elle a dérivé vers les propriétés des commutateurs (sur-résistance, sur-linéarité, hors capacité) et les effets secondaires de la configuration de mixage (charge du nœud entraînant des plops lors de la commutation), diaphonie ,. ..

Je suis bien conscient de tous ces problèmes et j'aurais peut-être simplifié la question en faveur de la clarté et de la concentration.

Andy aka a soulevé de précieuses considérations que je poursuivrai, mais la solution suggérée est exactement comme je l'ai fait dans le passé, avec moins de succès que je l'espérais.

τεκ a soulevé une alternative simple mais intéressante que j'examinerai également.

Ma conclusion intermédiaire est que je vais essayer de me procurer le livre audio Douglas Self. Je vais creuser dans les propriétés des commutateurs et FET et essayer de simuler leur effet dans les différentes topologies. Cela pourrait conduire à de nouvelles perspectives et je ferai rapport. Je finirai définitivement par prototyper différentes solutions. Cela peut donc prendre un certain temps, mais je reviendrai avec de nouvelles idées et j'en rendrai compte.

Alternative:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Désavantages:

• Les entrées traversent en fonction du rapport de la résistance à Rg
• La capacité hors état peut provoquer une distorsion de la réponse en fréquence

Avantages:

• La linéarité à l'état passant n'est pas importante.
• La résistance à l'arrêt est généralement si élevée qu'elle peut être ignorée.
• Si la tension d'entrée est suffisamment basse, le commutateur peut être un seul MOSFET.

Un aspect que vous n'avez pas pris en compte est qu'avec un mélangeur inverseur, le nœud de mélange est une terre virtuelle, donc vous "mélangez" les courants d'entrée et le courant de chaque entrée "descend" dans une terre virtuelle. Cela offre un avantage majeur: -

Very little cross talk between one input signal and another.

$^1$

Dans un mélangeur comme celui-ci, le nœud de mixage souffre beaucoup de toutes les entrées qui y sont connectées, donc je choisirais le circuit qui utilise U1. Oui, il y aura plus de capacité à la terre au niveau du nœud de mixage et cela provoquera du bruit à haute fréquence mais il en sera de même pour un tas d'entrées et c'est un problème rencontré par tous les mélangeurs analogiques alors, choisissez un ampli-op avec un bruit d'entrée faible densité de tension et être prêt à ajouter un condensateur parallèle à travers Rf.

Vous devez également vous rappeler qu'à des fréquences audio élevées, les commutateurs analogiques ne sont pas des circuits ouverts et certains bruits à spectre élevé provenant d'une entrée réputée désactivée peuvent toujours être entendus.

$^1$

Après avoir fait quelques simulations, j'ai en fait élaboré, construit et peaufiné la solution de τεκ avec de très bons résultats:

NE5532 est le véritable opamp que j'ai utilisé. Ne vous occupez pas du FET dans le schéma. J'ai testé avec plusieurs FET allant de Rdson = 40 mOhm à 10 mOhm et la diaphonie n'est acceptable que pour les FET de 10 mOhm. Celles-ci sont cependant faciles à trouver. Attention, ils doivent être complètement ouverts avec 4,5 V, car je veux contrôler cela à partir d'un µC avec des sorties à collecteur ouvert tolérantes de 5 V.

Cette conception est un compromis entre le bruit et la diaphonie. les résistances évoluent toutes simultanément et c'est R13 et R16 par rapport à Rdson qui détermine la diaphonie (fuite) tandis que c'est également R13, R15, R16, R18 qui déterminent le bruit thermique. Le changement de 1k ohm à 2k ohm est clairement audible.

Cela ne peut évidemment pas fonctionner pour les systèmes couplés en courant continu, tout est polarisé au milieu du rail en fonction des FET.

Un très bon découplage en milieu de rail est extrêmement important afin de ne pas avoir d'influence des circuits environnants.

Mais le schéma ci-dessus avec tous ses multiplexes de réglage sans aucune distorsion audible, avec un bruit et une diaphonie absolument minimes.

Au cas où quelqu'un se demanderait, R14 et R17 sont là pour définir la tension au drain des FET. Sinon, cette tension dépendrait de la fuite des condensateurs de couplage.

Gardez à l'esprit que cette version du multiplexeur présente un inconvénient majeur qui est difficile à résoudre: la sortie chute énormément lors de la fermeture de l'un des FET. En effet, la polarisation CC est perturbée en tirant le drain FET vers la masse. Cette transition à travers les bouchons de couplage avant d'atteindre un nouvel équilibre. Mais ce n'est pas un problème dans mon application car les sorties seront brièvement coupées numériquement pendant la commutation du multiplexeur.

Pour le prix, je ne peux pas imaginer qu'il existe de meilleures alternatives, les inconvénients sont gérables, tandis que le bruit et le son sont de premier ordre.