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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。
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