アナログスイッチを使用してオーディオ信号とビデオ信号を動的に切り替えるには

著者 Bill Giovino

Digi-Keyの北米担当編集者 の提供

オーディオ信号とビデオ信号を切り替えるとき、デバイスの抵抗や付随する静電容量による信号の損失を避けながら、ノイズを発生させずにそれを行うことが課題になります。CMOSアナログスイッチは効果的かつ効率的ですが、これを正しく適用するには、設計者はパラメータのトレードオフが非常に重要であることを認識する必要があります。

オーディオ信号またはビデオ信号のソース間の切り替えはやっかいなものです。ほとんどの機械式スイッチやリレーはマルチメディア信号の切り替え用には設計されていないため、大きなポップノイズや視覚的な干渉などの支障を引き起こす可能性があります。スイッチング回路をゼロから設計することはできますが、これには手間と時間がかかります。

この問題に対処するには、単純なCMOSアナログスイッチを使用できます。これらは小さな半導体リレーのように機能し、低損失で双方向に電流を流すことができます。ブレークビフォアメークや低オン抵抗などの機能により、信号損失を低減しながら切り替え時にオーディオやビデオのノイズを除去できます。

ただし、実際には、アナログスイッチには仕様の取り引きが伴い、設計者は使用する前にこれを考慮する必要があります。この記事では、アナログスイッチの基本事項と関連する設計上のトレードオフについて説明し、それから適切なソリューションと使用方法を紹介します。

アナログスイッチの基本

アナログスイッチは、NチャンネルMOSFETとPチャンネルMOSFETを並列に使用して双方向スイッチを作成します。CMOSアナログスイッチの簡単な例としては、ON SemiconductorNS5B1G384 SPSTノーマリクローズアナログスイッチがあります(図1)。制御入力は、デバイス構成がノーマリオープン(NO)かノーマリクローズ(NC)かに基づいて、適切な反転信号と非反転信号をMOSFETゲートに送信します。

単純なSPSTアナログスイッチの高次表現の図

図1:単純なSPSTアナログスイッチの高次表現。制御入力信号INの状態に基づいて、単一の接点がオンおよびオフに切り替えられます。(画像提供:ON Semiconductor)

理想的には、アナログスイッチはできるだけ低いスイッチ抵抗(RON)を持つべきです。これは、MOSFETのドレイン/ソース面積がより大きくなるようにCMOSスイッチを設計し、電子流のためにより大きな表面積を作り出し、オン状態抵抗を減らすことによって達成できます。

ただし、表面積を増大させると、寄生静電容量が増大するという難点があります。より高い周波数では、この寄生静電容量は、歪みを引き起こすローパスフィルタを作成することによって問題になる可能性があります。またコンデンサは、コンデンサの充電および放電時間によって引き起こされる伝播遅延を生じさせます。この遅延は負荷抵抗とRONに基づいており、次式で与えられます。

式1

ここで、RLは負荷抵抗です。

RONと寄生静電容量の間のこのトレードオフは、特定のアプリケーションに対するCMOSスイッチを選択するときに重要です。すべてのアプリケーションが低RONを必要とするわけではなく、場合によっては、アナログスイッチが抵抗性負荷と直列になってRONがほとんど無視できる程度になることもあります。しかし、ビデオ信号では、RONと寄生静電容量のトレードオフが重要になります。RONが減少すると、寄生静電容量が増加します。これにより高周波がカットオフされ、帯域幅や歪みが下がります。

図1に示すNS5B1G384の場合、このデバイスは4.0Ω(標準)のほどほどの低RONを持っています。寄生静電容量は12pF(ピコファラッド)と非常に低いため、スイッチは最大330MHzの信号に適用できます。

単一オーディオソースの切り替え

2つのオーディオ信号出力間でオーディオ入力信号を切り替えるには、オーディオ入力を2つのNS5B1G384スイッチのCOMピンに接続します。各スイッチのNCピンは、ヘッドセットやスピーカなどのそれぞれのトランスデューサに接続されています。一度に1つのINピンだけを選択するようにしてください。

この構成では、アナログスイッチのターンオン時間とターンオフ時間が重要になります。NS5B1G384の場合、ターンオン時間は6.0ns(ナノ秒)、ターンオフ時間は2.0nsです。複数のスイッチを使用している場合は、ターンオフ時間が早いのでブレークビフォアメーク機能が提供されます。これにより、別のスイッチが接続される前に1つのスイッチが切断され、2つの負荷が同時に接続されるのを防ぎます。これはまた、オーディオ信号を切り替えるときにオーディオ機器でしばしば発生するポップノイズも減少します。

差動オーディオソースの切り替え

2つのオーディオ信号出力を切り替える別のソリューションは、2つのSPDTアナログスイッチを使うことです。たとえば、Analog DevicesADG884BCPZ-REELには、1つのパッケージに2つのSPDTアナログスイッチが搭載されています。5V電源で2つのスイッチはそれぞれ、0.28Ω(標準)~0.41Ω(最大)の非常に低いRONを持つため、低損失のオーディオ信号のスイッチングに適しています。しかし、このような低いRONには代償が伴います。スイッチがオンのときのアナログスイッチ接点間の寄生静電容量は295pFです。

ADG884はスイッチを介して400mAを処理することができるので、オーディオアンプからスピーカを直接駆動するのに適しています(図2)。

Analog DevicesのADG884を1個使用した基本回路図

図2:この基本回路では、1つのAnalog Devices ADG884を使って、2つのオーディオ出力デバイスを切り替えています。(画像提供:Digi-Key Electronics)

EMIがオーディオ出力にノイズを注入する可能性を最小限に抑えるために、オーディオアンプはプリント基板上でできるだけADG884の近くに配置する必要があります。またヘッドフォンジャックもADG884のできるだけ近くに配置する必要があります。スピーカにジャックがない場合は、シールド付きオーディオケーブルをADG884とスピーカの間で使用する必要があります。

オーディオ入力信号が差動ペアの場合は、信号ペアS1A/S1B、S2A/S2B、およびD1/D2をプリント基板上で互いに隣接するように配線し、共有干渉を相殺することで、スピーカやヘッドフォンからのノイズを除去することができます。

切り替え時のポップノイズを解消

ハイパワーアンプを使用するときに切り替えオーディオ信号の品質をさらに向上させるには、シャント抵抗を使用してオーディオアンプ出力の蓄積電荷を除去することが必要です。これを簡単にするために、一部のアナログスイッチはシャント抵抗を内蔵しています。その好例は、Maxim IntegratedMAX14594EEWL+T DPDTアナログスイッチです。

オーディオアンプ切り替え時のポップノイズをなくすために、MAX14594Eはブレークビフォアメーク動作を備えているほか、スイッチが開いたときにオーディオアンプの入力結合コンデンサを放電するためのシャント抵抗も内蔵しています(図3)。

この回路のMaxim MAX14594Eには2つの500Ω内部シャント抵抗があることを示す図

図3:この回路のMAX14594Eは、NO1とNO2のピンでオーディオアンプの出力コンデンサを放電する2つの500Ω内部シャント抵抗を備えており、ポップノイズを防止します。このアプリケーション例のスイッチ位置は、CBをローに設定した状態です。(画像提供:Maxim Integrated)

DPDTアナログスイッチであるMAX14594Eは、1つの制御入力CBを使用してオーディオ信号の両方のラインを同時に切り替えるために使用できます。RONが0.25Ωのとき、寄生静電容量は50pFです。NS5B1G384と比較すると、RONは非常に小さくなりますが、その結果、寄生静電容量ははるかに大きくなります。

図3を参照して、CBをローに設定し、NC1とNC2をそれぞれCOM1とCOM2に接続します。同時に、これにより、NO1とNO2のオーディオアンプの出力がシャント抵抗に接続されます。CBがハイに設定されると、NO1とNO2がそれぞれCOM1とCOM2に接続され、これによってシャント抵抗も切断されます。

CBのロジックハイ閾値は1.4Vなので、MAX14594EはGPIOレベルが1.8V以上のマイクロコントローラで制御することができます。CBピンとグランドの間に0.1µF(マイクロファラッド)ぐらいの小さなコンデンサでGPIOピンを接続すると、過渡が滑らかになります。

ビデオ信号の切り替え

RONと寄生静電容量のトレードオフと同様に、ビデオ信号を切り替えるとき、高周波信号のため事はより複雑になります。低RONアナログスイッチは寄生静電容量が大きいため、帯域幅が狭くなり、ビデオ品質が低下します。

それに対応して、ビデオスイッチングには、寄生静電容量が小さいRONアナログスイッチを使用することを推奨します。ただしこれは、別のビデオアンプを追加することによって補償する必要があるビデオ信号振幅を減少させます。一度に複数の高周波信号を切り替えなければならない場合があるので、信号損失を避けるためにできるだけ小型の回路基板設計にすることが重要です。この目的を達成するには、高集積のアナログスイッチを選択することが不可欠です。

たとえば、Integrated Device Technology(IDT)のQS4A110QGは、高速ビデオ信号スイッチングアプリケーションをターゲットとしたデュアル5PSTアナログスイッチです。これは、RONが5Ωと適度に低いのと寄生静電容量が10pFと極めて低いので、1.8GHzの帯域幅を可能にします(図4)。

Integrated Device TechnologyのQS4A110高集積デュアル5PSTアナログスイッチの図

図4:QS4A110は、帯域幅1.8GHzの高集積デュアル5PSTアナログスイッチで、ビデオ信号の切り替えに使用できます。(画像提供:IDT)

図4を見ると、A(x)とB(x)の信号を互いに接続してスイッチ出力がCまたはDのどちらかになるようにすると、単一の5PDTに簡単に変換できます。制御信号E1#およびE2#の両方がアクティブローなので、一方の制御信号をインバータで、もう一方の制御信号を非反転バッファで論理信号に接続することにより、出力選択が可能になります。非反転バッファはオプションですが、スイッチ出力間の競合を防ぐために含めることをお勧めします。

QS4A110のターンオン時間は6ns、ターンオフ時間は6.5ns(最大)です。このように、回路内のターンオン時間とターンオフ時間は実質的にスイッチのRC遅延と負荷静電容量です。

まとめ

アナログスイッチの回路設計は簡単なように見えますが、どれも同じというわけではありません。低RONと高寄生静電容量、または高RONと低寄生静電容量のトレードオフは、それぞれの帯域幅に直接影響します。ターゲットとする設計に適した特性を持つデバイスを選択することが最も重要です。

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著者について

Bill Giovino

Bill Giovino氏は、シラキュース大学のBSEEを持つエレクトロニクスエンジニアであり、設計エンジニアからフィールドアプリケーションエンジニア、そしてテクノロジマーケティングへの飛躍に成功した数少ない人の1人です。

Billは25年以上にわたり、STMicroelectronics、Intel、Maxim Integratedなどの多くの企業のために技術的および非技術的な聴衆の前で新技術の普及を楽しんできました。STMicroelectronicsでは、マイクロコントローラ業界での初期の成功を支えました。InfineonでBillは、同社初のマイクロコントローラ設計が米国の自動車業界で勝利するように周到に準備しました。Billは、CPU Technologiesのマーケティングコンサルタントとして、多くの企業が成果の低い製品を成功事例に変えるのを手助けしてきました。

Billは、最初のフルTCP/IPスタックをマイクロコントローラに搭載するなど、モノのインターネットの早期採用者でした。Billは「教育を通じての販売」というメッセージと、オンラインで製品を宣伝するための明確でよく書かれたコミュニケーションの重要性の高まりに専心しています。彼は人気のあるLinkedIn Semiconductorのセールスアンドマーケティンググループのモデレータであり、B2Eに対する知識が豊富です。

出版者について

Digi-Keyの北米担当編集者