低ノイズ、低歪みのアナログ多重化

アナログ（オーディオ）信号を多重化するための低ノイズ、低歪み、低コストのオペアンプ回路を設計しようとしています。経験、研究、およびいくつかの実験により、適切な低ノイズ電源と組み合わされた以下のコンポーネントにすでに至りました。

• NE / SA5532Aデュアル低ノイズオペアンプ（データシート）
• HEF4053BアナログCMOSスイッチ（データシート）

この質問は本質的にスイッチの統合に関するものです。リレーはCMOSスイッチの代替品であることは知っていますが、コストの約5〜10倍で、この設計では実際にはオプションではありません。

（切り替え可能な）可変ゲインを備えたオペアンプ回路について、賢明な回答を伴う素晴らしい質問があります。タイトルが示唆するように、この質問はこの問題に関するものではありません。しかし、私と一緒に耐え、導入としてそれについて詳しく説明させてください。

可変ゲインのこの回路を検討してください。

この回路のスイッチの位置は完璧です。これらはグランドレベルにあるため、オフセットはスイッチ抵抗に影響しません。その結果、この位置では、スイッチは変調歪みを生成しません。

信号経路では、スイッチは敏感なオペアンプ入力ピンからも離れています。Rin、Rf、Rg1、およびRg2はすべて、入力ピンの非常に近くに配置できます。スイッチがオペアンプの入力側にある場合、これは不可能です。

さて、私の質問の本当の核心です。入力多重化の4つの可能な構成を次に示しますが、いずれも上記の可変ゲインソリューションの理想的な構成に近いものではありません。

U3の周りの回路は完全を期すためにありますが、もっとも賢明ではありません。

U2とU4の周囲の回路では、スイッチは可変電圧レベルを認識し、変調歪みにつながります。

U1の周囲の回路にはスイッチが仮想グラウンドにありますが、それらの位置は反転入力ピンにもあります。私はこれを過去に実装しましたが、経験から、このレイアウトは高いノイズ感度につながります。私は回路に固有のノイズではなく、周囲の電子機器からのノイズについて話しています。

私の質問は、誰かが最良のトレードオフの経験を持っているか、ここで要約したデメリットを回避できるトリックを提案できるか、同じ目標を達成する賢い異なる回路図を提案できるかということです。

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回答とコメントでは、主要な問題のいくつかの側面に触れました。本質的に、私は最適なトポロジについて尋ねていましたが、スイッチの特性（オン抵抗、オンリニアリティ、オフ容量）と混合構成の副作用（スイッチング時にノードが充電されると、クロストークが発生します）、クロストークに向かってドリフトしました。 ..

私はこれらすべての問題を十分に認識しており、明快さと焦点を優先して質問を単純化しすぎたかもしれません。

Andy akaは、私がさらに追求する価値のある考慮事項を提起しましたが、提案された解決策は、私が望んだほど成功していませんでしたが、過去に行ったとおりです。

τεκは、シンプルだが興味深い代替案を提示しました。

私の中間的な結論は、ダグラスセルフオーディオブックを手に入れることです。スイッチとFETのプロパティを掘り下げ、さまざまなトポロジでそれらの効果をシミュレートしてみます。それは新しい洞察につながるかもしれないので、私は報告します。最終的にはさまざまなソリューションのプロトタイプを作成します。そのため、しばらく時間がかかるかもしれませんが、新しい洞察を取り戻して報告します。

代替案：

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

短所：

• オン抵抗とRgの比に基づいて入力が漏れる
• オフ状態の容量は周波数応答の歪みを引き起こす可能性があります

利点：

• スイッチのオン状態の直線性は重要ではありません。
• スイッチのオフ状態抵抗は通常非常に高いため無視できます。
• 入力電圧が十分に低い場合、スイッチは単一のMOSFETにすることができます。

検討していない側面の1つは、反転ミキサーでは、ミキシングノードが仮想アースであるため、入力電流を「ミックス」し、各入力の電流が仮想アースに「シンク」することです。これには、1つの大きな利点があります。-

Very little cross talk between one input signal and another.

$^1$、その信号電流が台無し-と他の入力信号から取得していません。信号レベルは互いに依存し、この方法で接続された他の信号のソースインピーダンスに依存するため、これは非反転オペアンプミキサーでは発生しません。これにより、U1またはU2が主な候補となります。-

このようなミキサーでは、ミキシングノードに接続されているすべての入力がミキシングノードに多くの影響を与えるため、U1を使用する回路を使用します。はい、ミキシングノードでグランドへの静電容量が大きくなり、これにより高周波ノイズが発生しますが、入力がたくさんあるため、すべてのアナログミキサーが直面する問題ですので、入力ノイズの少ないオペアンプを選択してくださいRfに並列コンデンサを追加する準備をしてください。

また、高いオーディオ周波数では、アナログスイッチは開回路ではなく、オフになっていると見なされる入力からの高スペクトルノイズが聞こえることがあります。

$^1$

いくつかのシミュレーションを行った後、実際にτεκのソリューションを詳しく説明し、構築し、微調整して非常に良い結果を得ました。

NE5532は、実際に使用したオペアンプです。回路図のFETを気にしないでください。Rdson = 40 mOhmから10 mOhmの範囲のいくつかのFETでテストしましたが、クロストークは10 mOhm FETでのみ許容されます。それらは簡単に見つけることができます。5Vトレラントオープンコレクター出力のµCからこれを制御したいので、4.5Vで完全にオープンにする必要があることに注意してください。

この設計は、ノイズとクロストークの妥協点です。抵抗器はすべて同時にスケーリングし、クロストーク（リーク）を決定するのはRdsonとRdsonであり、熱ノイズを決定するのはR13、R15、R16、R18です。1kオームから2kオームへの変化は明らかに聞こえます。

これは明らかに、DC結合システムでは機能しません。すべてがFETの機能でミッドレールバイアスされています。

周囲の回路から影響を受けないようにするには、非常に優れたミッドレールデカップリングが非常に重要です。

しかし、上記の回路図は、可聴歪みなしで、ノイズとクロストークを最小限に抑えながら、多重化を調整しています。

誰かが不思議に思った場合のために、FETのドレインの電圧を定義するためにR14とR17があります。それ以外の場合、この電圧は結合コンデンサの漏れに依存します。

このマルチプレクサバージョンには、解決が難しい大きな欠点が1つあることに注意してください。FETを閉じると、出力が大きく低下します。これは、FETドレインをグランドに引っ張ることによってDCバイアスが乱されるためです。これは、新しい平衡に達する前に、カップリングキャップを通過します。しかし、マルチプレクサの切り替え中に出力がデジタル的に一時的にミュートされるため、私のアプリケーションでは問題ではありません。

価格的には、より良い代替品があるとは想像できません。欠点は管理しやすく、ノイズと音は一流です。