Уменьшение искажений, вносимых аналоговыми ключами

Журнал ЭКиС, №2 2015 г

В. Макаренко

В статье приведена краткая информация об исследованиях искажений, вносимых аналоговыми ключами. Проведен сравнительный анализ схем компенсации нелинейных искажений в статическом и динамическом режимах работы ключей. Сформулированы рекомендации по использованию схем компенсации нелинейных искажений, вносимых аналоговыми ключами.

В современных высококачественных системах усиления и обработки звука искажения, вносимые аналоговым трактом, не должны превышать величины 0.001%, и желательно иметь их еще меньшей величины. Как известно, коммутация аналоговых сигналов осуществляется с помощью аналоговых ключей и необходимо минимизировать искажения, вносимые ими в процессе работы тракта обработки звука.

Как известно, аналоговые ключи, построенные на комплементарных МОП-транзисторах, вносят нелинейные искажения в тракт обработки сигналов. Это связано с тем, что сопротивление открытого ключа зависит от приложенного напряжения, т.е. является нелинейным элементом [1].

Рис. 1.	Структурная схема аналогового ключа

В [1] приведена структурная схема ключа (рис. 1) и зависимость сопротивления открытого ключа TS12A12511 от амплитуды коммутируемого напряжения (рис. 2).

Кроме того, эта зависимость меняется при изменении сопротивления нагрузки, т.е. зависит от тока, протекающего через аналоговый ключ.

Рис. 2.	Зависимость сопротивления открытого ключа от амплитуды коммутируемого напряжения

По аналогичным [1] схемам построены и аналоговые ключи других производителей, например, ключи AD7510DI…AD7512DI, выпускаемые компанией Analog Devices [2]. Изменение сопротивления открытого ключа носит такой же характер, как и показанный на рис. 1, хотя абсолютные значения для каждого типа ключей индивидуальны.

Чтобы исследовать зависимость искажений, вносимых аналоговыми ключами, от сопротивления нагрузки, включенной на выходе ключа, воспользуемся простой моделью (рис. 3). В программе NI Multisim есть достаточно большой выбор ИМС аналоговых ключей различных производителей. Так в 12-й версии программы в библиотеке Mixed их насчитывается 230 наименований, а в 14-й версии – 357. Т.е. выбор достаточно широк.

Рис. 3.	Модель для исследования искажений, вносимых ключом AD7511 (Analog Devices)

Проведем исследование ключа с помощью Фурье-анализа в точке 2 (точка соединения выхода ключа с нагрузкой) при фиксированной величине входного напряжения, равной 1 В, различных значениях сопротивления нагрузки и частоты сигнала. Кроме спектра сигнала в выбранной для анализа точке в результате анализа рассчитывается и значение коэффициента гармоник (THD на рис. 4). Результаты моделирования сведены в табл. 1.

Закономерность изменения Kг от сопротивления нагрузки аналогична приведенной в [1].

Рис. 4.	Результаты анализа искажений, вносимых ключом AD7511, при сопротивлении нагрузки 1 кОм

Для сравнения параметров различных типов ИМС аналоговых ключей были проведены измерения искажений, вносимых ключами ADG723 (Кг=0.0107% при Rн=1 кОм и Кг=0.001% при Rн=10 кОм), ADG783 (Кг=0.012% при Rн=1 кОм), DG411 производства Intersil (Кг=0.015% при Rн=1 кОм).

Из приведенных данных можно сделать вывод о том, что характеристики различных аналоговых ключей очень похожи и характер изменения искажений при изменении сопротивления нагрузки совпадает. При уменьшении сопротивления нагрузки в 10 раз во столько же раз увеличивается коэффициент гармоник.

Для компенсации искажений в [1] предложено включить аналоговый ключ в цепь обратной связи операционного усилителя, как показано на рис. 5.

Рис. 5.	Схема включения аналогового ключа AD7511 для компенсации искажений

Результаты испытаний показали, что коэффициент гармоник на выходе такой схемы не превышает 7.23⋅10^-5% (рис. 6), т.е. введение ключа AD7511 [2] в цепь ООС операционного усилителя AD713 [3] позволяет снизить коэффициент гармоник почти в 1000 раз.

Рис. 6.	Результаты анализа искажений, вносимых ключом AD7511, в схеме с компенсацией искажений

Для проверки влияния параметров ОУ на получаемый результат были проведены испытания схемы (рис. 5) с ОУ типа ADA4075 [4]. В результате получен Кг = 0.0001245%, т.е. параметры самого ОУ существенно влияют на полученный результат. При использовании ОУ HA7-2850-9 (HA2850 Intersil) Кг= 6,396⋅10^-5%.

Сравним основные параметры ОУ AD713, ADA4075 и HA2850 [5] (табл. 2).

Из сравнения этих параметров можно сделать вывод о том, что скорость нарастания выходного напряжения в значительной мере влияет на эффективность компенсации искажений.

Проведенный анализ позволяет сделать вывод о том, что искажения аналоговых ключей могут быть в значительной степени скомпенсированы включением в цепь обратной связи ОУ. Но возникает другая проблема. При разомкнутом ключе уровень прохождения сигнала становится недопустимо большим.

Исследование прямого прохождения сигнала через отдельно включенный ключ AD7511 показало, что при разомкнутом ключе, сопротивлении нагрузки 1 кОм, частоте входного сигнала 1 кГц и входном сигнале 1 В на выход проходит сигнал с уровнем 20 мкВ, что соответствует затуханию 94 дБ.

При тех же параметрах сигнала и включении ключа в цепь ОС ОУ уровень ослабления сигнала составляет всего 32 дБ, что делает практически непригодной такую схему.

Для устранения этого недостатка необходимо использовать схему с коммутацией входа и выхода ОУ, как показано на рис. 7.

Рис. 7.	Увеличение переходного затухания закрытого ключа в схеме с компенсацией искажений

Из-за отсутствия в базе элементов Multisim ключей AD7512 (4 группы на переключение) эксперимент проведем с ключом ADG1211 [6]. На рис. 8 приведены осциллограммы сигнала на входе и выходе ключа в двух режимах работы – открытом и закрытом ключе.

Рис. 8.	Измерение переходного затухания закрытого ключа ADG1211 в схеме с компенсацией искажений

Из рис. 8 следует, что размах сигнала на выходе при разомкнутом ключе составляет 800 мкВ, а размах входного сигнала – 2 В. Откуда несложно вычислить величину затухания, вносимого ключом, которая составляет 68 дБ. Этот же ключ без схемы компенсации нелинейных искажений обеспечивает переходное затухание 58.4 дБ.

Этот анализ показывает, что такое включение существенно увеличивает переходное затухание ключа, даже по сравнению с отдельно взятым ключом без схемы компенсации нелинейных искажений. Но переходное затухание 68 дБ величина недостаточная для высококачественных систем обработки звука и звукоусиления.

Поэтому проведем еще несколько экспериментов с другими моделями ключей. ИМС ADG513 обеспечивает переходное затухание 72 дБ (при таких же значениях испытательных сигналов и используемого ОУ, как и при испытаниях ADG1211). Результат ожидаем, так как ключи ADG1211 и ADG513 имеют сходные характеристики.

А вот испытания модели ключа DG303 [7] (Intersil) показали значительно лучший результат. Переходное затухание составило 144 дБ (рис. 9). Размах сигнала на выходе разомкнутого ключа составил 120 нВ.

Рис. 9.	Измерение переходного затухания закрытого ключа DG303 в схеме с компенсацией искажений

Этот же ключ без схемы компенсации искажений обеспечивает переходное затухание 117 дБ, что является очень хорошим результатом. Результат проверки искажений также подтвердил отличный результат – коэффициент гармоник составил 4.904⋅10^-5%. При испытаниях был использован ОУ типа LM7301 (собственный коэффициент гармоник 0.006%). Для сравнения коэффициент гармоник с ОУ типа AD713 составил в этой схеме 6.3⋅10^-5%.

Остается только выяснить какие параметры аналоговых ключей определяют величину переходного затухания разомкнутого ключа. Для этого сопоставим параметры ключей ADG1211 и DG303. Они весьма похожи. Например, сопротивление открытого ключа ADG1211 составляет 150 Ом, а DG303 – 75 Ом. Но в то же время сопротивление открытого ключа ADG513 составляет 50 Ом, а результат значительно хуже. Т.е. напрямую, исходя из параметров ключа, определить какой из них обеспечит лучший результат невозможно. Скорее всего эти характеристики зависят от топологии схемы ключа, которая в технической документации не приводится. Следовательно, следует подбирать ключ либо экспериментально, либо проводить моделирование и искать наиболее подходящий вариант.

Рис. 10.	Схема для исследования аналогового ключа DG303 в динамическом режиме

Для более полного представления о свойствах такой схемы компенсации искажений необходимо проверить ее на различных частотах входного сигнала и проанализировать ее работу в динамическом режиме.

Нелинейные искажения схемы с ключом DG303 составляют 5.76⋅10^-5% на частоте 10 кГц.

Рис. 11.	Осциллограмма сигнала на выходе ключа DG303

Для проверки поведения схемы в динамическом режиме в нее введен генератор импульсов для управления ключом (рис. 10). Результаты работы схемы можно увидеть на рис. 11.

Рис. 12.	Результаты анализа переходных процессов на выходе ключа DG303

Как следует из рис. 11, переходные процессы практически незаметны и для звуковых сигналов никакого значения не имеют. Более точный анализ переходных процессов с помощью Transient Analisis показал, что время переходных процессов схемы составляет примерно 100 нс (рис. 12).

Выводы

1. Проделанные эксперименты показывают, что параметры аналоговых ключей могут быть значительно улучшены путем включения их в цепь обратной связи операционного усилителя.
    
2. При выборе ОУ для построения схемы компенсации нелинейных искажений предпочтение следует отдавать широкополосным малошумящим усилителям с высокой скоростью нарастания выходного напряжения.
    
3. По характеристикам, приведенным в технической документации на аналоговые ключи, невозможно определить или спрогнозировать какой из них обеспечит наилучшие характеристики. Поэтому для выбора ИМС ключей и ОУ необходимо либо провести моделирование схемы с различными ключами, либо провести экспериментальные исследования с использованием различных ключей, что значительно более трудоемко.

Литература

1. J. Caldwell Reducing distortion from CMOS analog switches / Analog Applications Journal, AAJ 1Q 2015, p. 4-7
2. analog.com/media/en/technicaldocumentation/data-sheets/AD7510DI_7511DI_7512DI.pdf
3. analog.com/media/en/technicaldocumentation/data-sheets/AD713.pdf
4. analog.com/media/en/technicaldocumentation/data-sheets/ ADA4075-2.pdf
5. pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/208/56675_DS.pdf'
6. analog.com/media/en/technicaldocumentation/data-sheets/ADG511_512_513.pdf
7. pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/90/494429_DS.pdf