如何使用類比開關動態切換音訊與視訊訊號

切換音訊與視訊訊號時，困難之處在於如何不發出雜訊，同時還要避免裝置電阻值或偶發電容值造成訊號損耗。雖然 CMOS 類比開關能有效率運作，但是設計人員必須瞭解關鍵的參數權衡，才能正確運用這些開關。

切換音訊或視訊訊號來源有時較為棘手。大多數的機械開關或繼電器在設計上並非用來切換多媒體訊號，且可能會產生諸如爆音或視覺干擾等干擾現象。設計人員可從頭開始設計切換電路，但會增加複雜度和時間。

簡易型 CMOS 類比開關可幫助解決此問題。其運作方式類似小型半導體繼電器，可達到低損耗的雙向電流傳輸。具備諸如先斷後通以及低導通電阻等特點，可在切換時去除音訊或視覺雜訊，同時降低訊號損耗。

不過就實務上而言，設計人員在採用類比開關之前，就必須考量到需要在規格方面有所折衷。本文將探討類比開關的基礎知識和相關的設計權衡，然後介紹適合的解決方案及其使用方式。

類比開關基礎知識

類比開關以並聯方式採用 N 通道 MOSFET 搭配 P 通道 MOSFET，以建立雙向開關。ON Semiconductor 的 NS5B1G384 SPST 常關式類比開關，即是 CMOS 類比開關的簡單實例 (圖 1)。控制輸入會根據元件的常開 (NO) 或常關 (NC) 配置，將適當的反向與非反向訊號傳送至 MOSFET 閘極。

圖 1：簡易型 SPST 類比開關的高階展示。單一觸點會根據控制輸入訊號 IN 的狀態來開啟與關閉。(圖片來源：ON Semiconductor)

理想狀況下，類比開關應盡可能維持低切換電阻值 (R_ON)。上述目標可透過 CMOS 開關的設計達成，讓 MOSFET 的汲極／源極區域更大，為電子流建立更大的表面積，同時降低導通電阻。

不過，增加表面積的缺點在於會提高寄生電容量。當頻率較高時，寄生電容量會形成低通濾波而導致失真，進而產生問題。電容也會因為充放電時間而產生傳播延遲。此延遲是以負載電阻和 R_ON 為計算基礎，計算方式如下：

其中，R_L = 負載電阻。

R_ON 與寄生電容量之間的取捨，在針對指定應用挑擇 CMOS 開關時是關鍵的考量。並非各種應用皆要求低 R_ON，在某些情況下，類比開關會與電阻負載串聯，因而可忽略 R_ON。若是視訊訊號，R_ON 與寄生電容量間的權衡就有其重要性。若 R_ON 降低，寄生電容量就會增加。如此一來會阻斷高頻率，導致頻寬降低或失真。

如圖 1 的 NS5B1G384 範例所示，此裝置的 R_ON 稍低，典型值為 4.0 Ω。寄生電容量非常低，僅有 12 pF，所以開關可用於最高 330 MHz 的訊號。

切換單一音訊來源

若要在兩個音訊訊號輸出間切換音訊輸入訊號，可將音訊輸入連接至兩個 NS5B1G384 開關的 COM 引腳。每個開關的 NC 引腳連接至各自的傳感器，例如頭戴式耳機和揚聲器。請注意，一次僅可選擇一個 IN 引腳。

在此配置中，類比開關的開啟與關閉時間是重要的考量。NS5B1G384 的開啟時間為 6.0 ns，關閉時間為 2.0 ns。若使用多個開關，關閉時間會加快，就可達到先斷後通功能。這可確保將一個開關斷開後再連接另一個開關，以免同時連接兩個負載。此外也可在切換音訊訊號時，降低在音訊設備上聽見爆音的機率。

切換差動音訊來源

若要切換兩個音訊訊號輸出，有個替代解決方案就是使用兩個 SPDT 類比開關。例如，Analog Devices 的 ADG884BCPZ-REEL 就在單一封裝中具備兩個 SPDT 類比開關。在 5 V 供電下，兩個開關都具有超低的 R_ON 值，介於 0.28 Ω (典型值) 至 0.41 Ω (最大值) 之間，因此適合低損耗音訊訊號切換作業。不過，R_ON 如此低是有代價的。開關處於開啟狀態時，類比開關觸點間的寄生電容量為 295 pF。

ADG884 可透過開關處理 400 mA 電流，因此適合從音訊放大器直接驅動揚聲器 (圖 2)。

圖 2：此基本電路使用單一個 Analog Devices ADG884，在兩個音訊輸出裝置間進行切換。(圖片來源：DigiKey)

為了讓 EMI 雜訊注入音訊輸出的可能性降至最低，在 PC 板上安置音訊放大器時，應盡量靠近 ADG884。耳機插孔亦應盡可能靠近 ADG884。若揚聲器未使用插孔，則應在 ADG884 與揚聲器之間使用屏蔽式音訊纜線。

若音訊輸入訊號為差動對，則應在 PC 板上將訊號對 S1A/S1B、S2A/S2B 和 D1/D2 彼此緊鄰佈設，以消除任何共同干擾，藉此去除揚聲器或耳機的雜訊。

消除切換期間的爆音

若要在使用高功率放大器時進一步增強切換式音訊訊號的品質，應使用分流器電阻去除音訊放大器上累積的電荷。為了簡化此作業，某些類比開關會內建分流器電阻。Maxim Integrated 的 MAX14594EEWL+T DPDT 類比開關就是一個良好範例。

為了在音訊放大器切換時消除爆音，MAX14594E 具備先斷後通操作，也內建分流器電阻，可在開關處於開啟狀態時將音訊放大器的輸入耦合電容放電 (圖 3)。

圖 3：此電路中的 MAX14594E 內建兩個 500 Ω 分流器電阻，可將引腳 NO1 和 NO2 處的音訊放大器輸出電容放電，以避免產生爆音。此應用範例的開關位置如圖所示，其中 CB 已拉低。(圖片來源：Maxim Integrated)

MAX14594E 屬於 DPDT 類比開關，可透過單一控制輸入 CB，同時切換兩條音訊訊號線路。R_ON 為 0.25 Ω，寄生電容量為 50 pF。請注意，與 NS5B1G384 相較之下，R_ON 值降低不少，但會導致寄生電容量大幅提高。

若參照圖 3，可發現 CB 已拉低，以便將 NC1 與 NC2 分別連接至 COM1 與 COM2。同時也會將 NO1 與 NO2 處的音訊放大器輸出連接至分流器電阻。當 CB 拉高時，NO1 與 NO2 分別接至 COM1 與 COM2，並且會斷開分流器電阻。

MAX14594E 可使用 GPIO 層級為 1.8 V 以上的微控制器進行控制，這是因為 CB 具有 1.4 V 的邏輯高閾值。若在 CB 引腳和接地之間，將 GPIO 引腳與約 0.1 µF 的小型電容連接，即可消除所有暫態。

切換視訊訊號

切換視訊訊號則更加複雜，由於頻率訊號較高，因此 R_ON 與寄生電容量間的權衡更顯重要。低 R_ON 類比開關具有較大的寄生電容量，因此會縮減頻寬，導致視訊品質下降。

有鑑於此，建議在切換視訊時，使用較高 R_ON 的類比開關搭配相對應較低的寄生電容量。不過這會導致視訊訊號振幅縮減，因而必須添加額外的視訊放大器來加以補償。由於可能需要一次切換多個高頻率訊號，因此盡可能讓電路板的設計更加緊湊，以避免訊號損耗是相當重要的一件事。為了協助實現此目標，務必選擇高度整合的類比開關。

例如，Integrated Device Technology (IDT) 的 QS4A110QG 就是鎖定高速視訊訊號切換應用的雙通道 5PST 類比開關之一。此產品具有 5 Ω 的稍低 R_ON，以及 10 pF 的極低寄生電容量，可達到 1.8 GHz 的頻寬 (圖 4)。

圖 4：QS4A110 是高度整合的雙通道 5PST 類比開關，具備 1.8 GHz 的頻寬，可用於切換視訊訊號。(圖片來源：IDT)

如圖 4 所示，只要將 A(x) 與 B(x) 訊號彼此連接，讓切換輸出為 C 或 D，即可輕鬆地轉換成單通道 5PDT。由於控制訊號 E1# 與 E2# 兩者皆為低態動作，因此使用反相器將邏輯訊號接至一個控制訊號，再使用非反向緩衝器接至另一個控制訊號，即可進行輸出選擇。非反向緩衝器雖為選用，但建議將其納入以避免開關輸出之間發生競用情況。

QS4A110 的開啟時間為 6 ns，關閉時間為 6.5 ns (最大值)。因此，電路的開啟與關閉時間實際上就是開關與負載電容的 RC 延遲。

結論

類比開關看似可輕鬆設計至電路中，但並非一體適用。在低 R_ON 與高寄生電容量，或是高 R_ON 與低寄生電容量間的取捨，皆會直接影響到頻寬。因此，針對目標設計選擇具備適當特性的裝置至關緊要。