Verzerrungen von Analogschaltern

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Keksstein
Inventar

#1 erstellt: 28. Nov 2017, 00:10

Guten Abend,

Ich überlege mir gerade für ein Projekt (Vorverstärker) die Eingangswahl statt mit Relais über Analogschalter zu realisieren, hat jemand von Euch sich schonmal damit beschäftigt? Es gibt mittlerweile ein paar Geräte im High End Bereich die Analogschalter zur Eingangswand einsetzen, prinzipiell geht das mit niedrigem Klirrfaktor.

Ein paar Überlegungen:
Die Schalter haben eine sehr schlechte off Isolation, damit das kein Problem ist Schaltet man jede Quelle pro Kanal mit 2 Schaltern, einer Schaltet das Signal auf den Bus, der andere arbeitet invertiert dazu und legt das Signal auf eine (dummy) Masse im abgeschalteten Zustand. Soweit kein Problem.

Die Verzerrungen die die Schalter verursachen entstehen dadurch das im eingeschalteten Zustand der Innenwiderstand abhängig von der Signalspannung ist, im Datenblatt oft "Ron Flattness" genannt. In Verbindung mit dem Innenwiderstand der nachfolgenden Verstärkerstufe entsteht ein Amplitudenabhängiger Spannungsteiler -> Klirrfaktor. Für einen Schalter mit einer Ron Flattness von 2 Ohm und einem Verstärker mit 10kOhm Eingangswiderstand bedeutet dies eine Klirrdämpfung von mindestens -74dB (korrigiert mich wenn ich falsch liege, Faktor 5000 dazwischen sind 74dB)
Man tut also gut daran die Ron Flattness des Schalters zu senken und den Eingangswiderstand der Folgenden Stufe zu erhöhen. Letzteres geht mit fast jedem OPV wenn man den Offset am Ausgang aktiv wegregelt, der Integrator um U2: (und nein, es muss kein OPA627 sein)

Da läge man bei einem Eingangswiderstand von ~3,2Meg Ohm, das gibt eine Klirrdämpfung von -124dB. Besser als so ziemlich jeder OPV.

Soweit so gut, es gibt nurnoch ein Problem und das ist meine Frage:
Baut man das real auf wird es eine große Leiterplatte mit einer gewissen Streukapazität gegen Masse, 100pF halte ich für realistisch. Die Schalter selber haben aber auch eine sehr hohe Streukapazität, einige 100pF im geschalteten Zustand. Ich habe das mal mit dem MAX4700 durchgerechnet, da kommen schnell 1,5nF als "Last" zusammen bei 8 Eingängen. Das entspricht 5,3kOhm bei 20kHz, garnicht gut, siehe oben.
Irgend einen Trick muss es aber geben, es gibt VV die Analogschalter im Eingang verwenden und 0,0000x% Bereich verzerren. Hat jemand eine Idee wie das gemacht sein kann? Mache ich einen Denkfehler?

Danke und schönen Abend!

Gruß,
Jan

[Beitrag von Keksstein am 28. Nov 2017, 00:12 bearbeitet]

Detsi_Bell
Stammgast

#2 erstellt: 30. Nov 2017, 08:26

Hallo Jan!

Mittlerweile ist gut, ich habe einen Verstärker von 1982 oder so, in dem der altehrwürdige 4066 Dienst tut. Ganz sicher kein Hi-End, mußte aber auch die Norm einhalten. Und gab's nicht vor Jahrzehnten solche Potentiometerbausteine zu kaufen, sauteuer WIMRE, aber steuerfähig, per Spannung oder digital, die müssen so ähnlich funktioniert haben.

Schau mal bei Maxim nach

Application Note, da gibt es Werte von weit unter 0,05% für die THD zu bewundern. Das sollte doch genügen.

Best: Detsi

Kay*
Inventar

#3 erstellt: 30. Nov 2017, 16:06

Irgend einen Trick muss es aber geben, es gibt VV die Analogschalter im Eingang verwenden und 0,0000x% Bereich verzerren

seinerzeit in Elektor erforscht und beschrieben

Über den Schalter sollte möglichst wenig Spannung abfallen --> Datenblätter
Also den Schalter direkt am invert. Eingang eines OP betreiben,
also erst Widerstand, dann FET, dann Invert. OP

Übersprechen reduziert sich gegen Null mit T-Switch-Schaltung.

Keksstein
Inventar

#4 erstellt: 01. Dez 2017, 00:12

Guten Abend,

Danke Detsi und Kai für Eure Antworten!

Schau mal bei Maxim nach Application Note, da gibt es Werte von weit unter 0,05% für die THD zu bewundern. Das sollte doch genügen.

Hören tut man das sicher nicht mehr, das Problem ist der eigentliche Verstärkerteil hat eine Klirrdämpfung so im Bereich -110 bis -120dB. Es wäre blöd sich das durch die Analogschalter zu versauen.

Also den Schalter direkt am invert. Eingang eines OP betreiben,
also erst Widerstand, dann FET, dann Invert. OP

Beim ändern des Verstärkungsfaktors geht das (bedingt) sicherlich, ich kann damit aber keine Eingangswahl aufbauen.

Maxim hat momentan tatsächlich mit die besten Schalter für die Anwendung, MAX14758 oder MAX14761 haben eine Ron Flattness im mOhm Bereich.
Beim MAX14761 bedeutet das in 1kOhm Last 0.0012% Klirrfaktor, ich komme auf 0.0006% in meiner Rechnung und das verstehe ich nicht. (1k / 5,1mOhm RonFlattness = 196000 Unterschied -> 0,0006%)
Wenn man die folgende Stufe nochmal hochohmiger macht, 10-100k Last, sollte der Klirr doch in einen unmessbaren Bereich rutschen oder täusche ich mich da?

Übersprechen reduziert sich gegen Null mit T-Switch-Schaltung.

Ich wollte den Eingang mit 2 Schaltern Beschalten, einer zieht den Eingang gegen Masse der andere Schaltet zum Signalbus. Vor die Beschaltung kommt ein Widerstand von 100 Ohm zum Strombegrenzen, die Masse zu der Geschaltet wird geht separat zum Sternpunkt damit es keine Einkopplung in die Analogmasse geben kann. Signalmasse und Versorgungsmasse der OPVs (besser der Stützkondensatoren) sind sowieso getrennt, da kommt es auf den Aufwand nicht mehr an.

Gruß,
Jan

Kay*
Inventar

#5 erstellt: 01. Dez 2017, 00:14

Beim ändern des Verstärkungsfaktors geht das (bedingt) sicherlich, ich kann damit aber keine Eingangswahl aufbauen.

???
ich schon

jonath
Inventar

#6 erstellt: 01. Dez 2017, 00:20

https://www.maximint...plexers/MAX4932.html

Kann man natürlich auch selber bauen mit einem photovoltaischem (photovoltaic driver als Suchbegriff) Treiber (oder induktiver DCDC) und 2 MOSFET welche antiseriell verschalten werden. Gibt es natürlich auch schon fertig gekapselt zu kaufen. Hier musst du natürlich auf eine möglichst geringe Gatekapazität achten.

Du kannst natürlich auch wie in der App Note von Maxim mit einem P- und N-Kanal arbeiten, da könnte ggf. die Body Diode störend wirken.

Und gab's nicht vor Jahrzehnten solche Potentiometerbausteine zu kaufen, sauteuer WIMRE, aber steuerfähig, per Spannung oder digital, die müssen so ähnlich funktioniert haben."

Die gibt es natürlich auch heute noch als digitale Lautstärkesteller, da gibt es hier sogar irgendwo einen relativ langen Thread zu.

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/pga2311.pdf

Der mordernste Weg dürfte natürlich der sein das Signal durchgehend digital zu halten und direkt digital in die Endstufen IC zu fahren. Nebenbei kann man so bequem einen DSP einbinden.

Kay*
Inventar

#7 erstellt: 01. Dez 2017, 05:11

mit einem P- und N-Kanal arbeiten,

die längst vergangene Zeitschrift ELO hatte das mit NPN+PNP gelöst

Buch
Hat sich gelöscht

#8 erstellt: 02. Dez 2017, 17:02

Hi,

Keksstein (Beitrag #1) schrieb:

Ich überlege mir gerade für ein Projekt (Vorverstärker) die Eingangswahl statt mit Relais über Analogschalter zu realisieren, hat jemand von Euch sich schonmal damit beschäftigt?

Ja, ich bin zu dem Ergebnis gekommen, nächstes mal eine Achsenverlängerung zu nehmen. Das ist das klirrärmste und zuverlässigste, was es gibt. Analogschalter können auch schon mal durchbrennen, hatte ich schon öfter bei kommerz. Geräten ohne Hi-End.

Ansonsten zwei NPN antiparallel über Spannungsteiler.

Kay*
Inventar

#9 erstellt: 02. Dez 2017, 17:22

Analogschalter können auch schon mal durchbrennen, hatte ich schon öfter bei kommerz. Geräten ohne Hi-End

... weil gerne die Dinger kommerz. nicht am Inv-In von einem OP verbaut werden

kinodehemm
Hat sich gelöscht

#10 erstellt: 02. Dez 2017, 19:01

Aber warum ist das so- oder wird es zumindest so gesagt?

Das ist ja letztlich kein 'okkultes' Wissen, und ein Amp oä für 1000€ + hätte doch sicher die nötigePreisgestaltung, um auch sowas zu realisieren..

Kay*
Inventar

#11 erstellt: 02. Dez 2017, 19:11

nicht jeder Entwickler hat Elektor gelesen

Elektor hatte wirklich seinerzeit die Standard CMOS_Schalter messtechnisch gut dokunertiert.

hätte doch sicher die nötige Preisgestaltung

wenn man professionell mit Elektronik zutun hat/te
fällt einem in fast jedem Design wenigstens Ungereimtheiten auf

z.B.
ich habe es bis heute nicht begriffen,
dass man in selbst besseren AVR's Pegelschalter per Muting-Transistor verbaut.
Bei 24-bit wäre sowas auf der digitalen Ebene besser gelöst
und man hätte Bauteile gespart

Buch
Hat sich gelöscht

#12 erstellt: 03. Dez 2017, 16:44

Die ELO- und die Elektor Nr.? Damit man bei Gelegenheit mal im Archiv schauen kann.

Ein "gereimtes" Schaltungsdesign ist ein leidenschaftlicher Aufwand und gehört in Stein gemeißelt.

Kay*
Inventar

#13 erstellt: 03. Dez 2017, 18:53

Elektor 1989-04: Audio-CMOS-Schalter, MüssenPuristen umdenken? (Messungen + Schaltungen)
Elektor 1989-11: "CMOS-PreAmp", (Vorverstärker)
ELO 1986-08: "Für's Wohnzimmer fast zu schade", (Vorverstärker)

p.s.
ergänzend

Man tut also gut daran die Ron Flattness des Schalters zu senken und den Eingangswiderstand der Folgenden Stufe zu erhöhen

Bei Erhöhung des Anschlusswiderstandes am non-inv-In vergrössert sich das Übersprechen
--> Datenblätter, Messung meist mit 1k Abschluss

[Beitrag von Kay* am 03. Dez 2017, 19:05 bearbeitet]

Keksstein
Inventar

#14 erstellt: 03. Dez 2017, 20:45

Ja, ich bin zu dem Ergebnis gekommen, nächstes mal eine Achsenverlängerung zu nehmen. Das ist das klirrärmste und zuverlässigste, was es gibt

Am Anfang zumindest, irgendwann bekommt man Kontaktschwierigkeiten und damit Klirr bzw. Ausfälle. Ich nehme mittlerweile Reed-Relais, die heben ewig bei den kleinen Signalströmen.

Analogschalter können auch schon mal durchbrennen, hatte ich schon öfter bei kommerz. Geräten ohne Hi-End.

Da gibt es sicher auch Unterschiede. Ich behaupte mal die aktuellen besseren Typen bekommt man nicht so leicht kaputt, jedenfalls wenn man sie in ihrer Spezifikation betreibt. Bei mir sitzen sie auch nicht direkt im Eingang, jeder Eingang hat einen eigenen OPV Impedanzwandler und danach wird erst geschaltet.

wenn man professionell mit Elektronik zutun hat/te
fällt einem in fast jedem Design wenigstens Ungereimtheiten auf

Ich wundere mich immer wieder über die Masseführung, da gibt es von "irgendwie" über getrennte Masse für Signal und Versorgung bis zur gemeinsamen Massefläche (wie in den Datenblättern der OPVs) viel komisches zu bestaunen.

Die Artikel sind ja relativ alt aus Elektor und ELO, mittlerweile gibt es da ganz andere integriere Möglichkeiten.

Bei Erhöhung des Anschlusswiderstandes am non-inv-In vergrössert sich das Übersprechen
--> Datenblätter, Messung meist mit 1k Abschluss

In einer OPV Gegenkopplung ist das sicher schwieriger, bei einer Eingangswahl sollte es keine Probleme in diese Richtung geben können wenn man Pro Eingang mindestens 2 Schalter verwendet. (Einer zum Schalten auf Masse eines nicht Benutzten Eingangs)

Kay*
Inventar

#15 erstellt: 03. Dez 2017, 21:53

mittlerweile gibt es da ganz andere integriere Möglichkeiten.

gab's früher auch schon,
z.B. von analog.com SSM2404

Buch
Hat sich gelöscht

#16 erstellt: 04. Dez 2017, 16:32

In einem Mikrofonverstärker habe ich kleine Stromstoß-Reedrelais eingebaut für die Phantomspannungsumschaltung. Das ist dann wohl auch das richtige hierfür. Schön klein und weiß. Falls doch mal ein Defekt auftritt, blickt man leichter durch als mit Halbleitern.