아날로그 스위치를 사용하여 오디오 및 비디오 신호를 동적으로 전환하는 방법

오디오 신호와 비디오 신호를 전환할 경우 장치 저항이나 부수적 정전 용량으로 인한 신호 손실을 회피하면서 잡음을 일으키지 않는 것이 중요합니다. CMOS 아날로그 스위치는 효과적이고 효율적이지만 설계자는 이를 올바르게 적용하기 위해 중요한 파라미터 트레이드 오프를 알고 있어야 합니다.

오디오 또는 비디오 신호 소스 간의 스위칭은 다소 까다로울 수 있습니다. 대부분의 기계식 스위치 또는 계전기는 멀티미디어 신호의 스위칭용으로 설계되지 않았으며 큰 가청음이나 시각적 전파 방해와 같은 전파 방해를 생성할 수 있습니다. 스위칭 회로는 처음부터 설계할 수 있지만, 그럴 경우 복잡성과 소요 시간이 증가됩니다.

이 문제를 해결하기 위해 간단한 CMOS 아날로그 스위치를 사용할 수 있습니다. 이 스위치는 작은 반도체 계전기처럼 작동하며 낮은 손실로 양방향 전류 흐름을 허용합니다. 브레이크-메이크 및 낮은 온스테이트 저항과 같은 특징은 신호 손실을 줄이면서 스위칭 중 청각적 또는 시각적 잡음을 제거합니다.

하지만 실제로 아날로그 스위치에는 설계자가 사용하기 전에 고려해야 하는 사양 트레이드 오프가 존재합니다. 이 기사에서는 아날로그 스위치의 기본 사항 및 관련 설계 트레이드 오프를 설명하고 적절한 솔루션 및 이러한 솔루션의 사용 방법을 소개합니다.

아날로그 스위치 기본 사항

아날로그 스위치는 N 채널 MOSFET을 P 채널 MOSFET과 함께 사용하여 양방향 스위치를 생성합니다. CMOS 아날로그 스위치의 간단한 예는 ON Semiconductor의 NS5B1G384 SPST 상시 폐쇄형 아날로그 스위치(그림 1)입니다. 제어 입력은 장치 구성이 상시 개방(NO)인지 상시 폐쇄(NC)인지에 따라 MOSFET 게이트에 적절한 반전 및 비반전 신호를 전송합니다.

그림 1: 간단한 SPST 아날로그 스위치의 개괄적 표시. 단일 접점이 제어 입력 신호 IN의 상태에 따라 켜지고 꺼집니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

이상적으로, 아날로그 스위치의 스위치 저항(R_ON)은 가능한 낮아야 합니다. 이는 MOSFET 드레인/소스 영역이 더 크도록 CMOS 스위치를 설계하고 전자 흐름을 위한 표면적을 넓히며 온스테이트 저항을 줄여 이루어집니다.

하지만 표면적을 넓히면 기생 정전 용량이 증가하는 단점이 있습니다. 주파수가 높으면 이 기생 정전 용량이 왜곡을 초래하는 저역 통과 필터를 만들어 문제가 될 수 있습니다. 또한 커패시터는 커패시터의 충전 및 방전 시간으로 초래된 전파 지연도 생성합니다. 이 지연은 부하 저항 및 R_ON을 기반으로 하며 다음으로 지정됩니다.

여기서 R_L = 부하 저항임.

R_ON과 기생 정전 용량 간의 이 트레이드 오프는 특정 응용 제품의 CMOS 스위치를 선택할 때 핵심 사항입니다. 모든 응용 제품에 낮은 R_ON이 필요한 것은 아니며, 경우에 따라 아날로그 스위치는 R_ON이 무시할 정도인 저항성 부하와 직렬로 연결됩니다. 그러나 비디오 신호의 경우는 R_ON과 기생 정전 용량 간의 트레이드 오프가 중요해집니다. R_ON이 감소하면 기생 정전 용량이 증가합니다. 이로 인해 고주파가 차단되며 결과적으로 대역폭이 낮아지거나 왜곡이 생깁니다.

그림 1에 나오는 NS5B1G384의 경우 이 장치는 4.0Ω(통상)의 비교적 낮은 R_ON을 가집니다. 기생 정전 용량이 12pF로 매우 낮아서, 스위치를 최대 330MHz의 신호에 사용하기에 적합합니다.

단일 오디오 소스 스위칭

두 오디오 신호 출력 간에 오디오 입력 신호를 전환하기 위해 오디오 입력은 두 NS5B1G384 스위치의 COM 핀에 연결됩니다. 각 스위치의 NC 핀은 헤드셋 및 스피커와 같은 각각의 트랜스듀서에 연결됩니다. 한 번에 하나의 IN 핀만 선택되어야 합니다.

이 구성에서는 아날로그 스위치의 켜기 시간 및 끄기 시간이 중요해집니다. NS5B1G384의 경우, 켜기 시간은 6.0ns(나노초)이고 끄기 시간은 2.0ns입니다. 여러 스위치를 사용할 경우 더 빠른 끄기 시간이 브레이크-메이크 기능을 제공합니다. 이는 다른 스위치가 연결되기 전에 한 스위치를 분리시켜 두 부하가 동시에 연결되는 것을 방지합니다. 또한 오디오 신호 스위칭 시 오디오 장비에서 발생할 수 있는 가청음도 줄입니다.

차동 오디오 소스 스위칭

두 오디오 신호 출력 간에 스위칭하는 대체 솔루션은 두 개의 SPDT 아날로그 스위치를 사용하는 것입니다. 예를 들어, Analog Devices의 ADG884BCPZ-REEL은 하나의 패키지에 두 개의 SPDT 아날로그 스위치를 제공합니다. 두 스위치 각각은 5V의 전력 공급을 사용하며 0.28Ω(통상)과 0.41Ω(최대) 사이의 매우 낮은 R_ON을 가지기 때문에 저손실 오디오 신호 스위칭에 적절합니다. 그러나 이러한 낮은 R_ON에는 대가가 따릅니다. 스위치가 켜질 때 아날로그 스위치 접점 간의 기생 정전 용량이 295pF입니다.

ADG884는 스위치를 통해 400mA를 처리할 수 있기 때문에 오디오 증폭기의 직접 구동 스피커에 적합합니다(그림 2).

그림 2: 이 기본 회로는 하나의 Analog Devices ADG884를 사용하여 두 오디오 출력 장치 간에 전환합니다. (이미지 출처: DigiKey)

EMI로 오디오 출력에 잡음이 유입되는 것을 최소화하기 위해, 이 오디오 증폭기는 PC 기판에서 ADG884에 가능한 가깝게 배치되어야 합니다. 헤드폰 잭도 가능한 ADG884에 가까워야 합니다. 스피커가 잭을 사용하지 않는 경우 ADG884와 스피커 사이에 차폐된 오디오 케이블을 사용해야 합니다.

오디오 입력 신호가 차동 회로인 경우, 신호 쌍 S1A/S1B, S2A/S2B 및 D1/D2를 PC 기판에 서로 나란히 라우팅해야 공유 전파 방해가 차단되고 이에 따라 스피커나 헤드폰으로부터의 잡음이 제거됩니다.

스위칭 중 가청음 제거

고전력 증폭기 사용 시 전환된 오디오 신호의 품질을 더욱 높이려면, 션트 저항기를 사용하여 오디오 증폭기 출력에서 누적된 충전 전하를 제거해야 합니다. 이를 단순화하기 위해 일부 아날로그 스위치에는 션트 저항기가 내장되어 있습니다. 좋은 예로 Maxim Integrated의 MAX14594EEWL+T DPDT 아날로그 스위치를 들 수 있습니다.

오디오 증폭기에서 스위칭할 때 가청음을 제거하기 위해, MAX14594E는 브레이크-메이크 작동을 수행하며 스위치가 개방될 때 오디오 증폭기 입력 결합 커패시터를 방전하는 내부 션트 저항기도 제공합니다(그림 3).

그림 3: 이 회로의 MAX14594E에는 가청음을 방지하기 위해 핀 NO1과 NO2에 오디오 증폭기 출력 커패시터를 방전하는 두 개의 500Ω 내부 션트 저항기가 있습니다. 이 응용 예제의 스위치 위치는 CB Low 풀링으로 표시됩니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

MAX14594E는 DPDT 아날로그 스위치이며 하나의 제어 입력 CB를 사용하여 오디오 신호 라인 두 개를 동시에 전환하는 데 사용될 수 있습니다. R_ON은 0.25Ω이며 기생 정전 용량은 50pF입니다. NS5B1G384와 비교할 때 R_ON은 훨씬 더 낮지만, 결과적으로 기생 정전 용량이 훨씬 더 높습니다.

그림 3에서 CB는 NC1 및 NC2를 각각 COM1 및 COM2로 연결하기 위해 Low로 풀링되었습니다. 이와 동시에 NO1 및 NO2의 오디오 증폭기 출력을 션트 저항기에 연결합니다. CB가 High로 풀링되면 NO1 및 NO2가 각각 COM1 및 COM2로 연결되며 이 경우에도 션트 저항기의 연결이 끊깁니다.

CB의 논리 한계값은 1.4V이므로 MAX14594E는 GPIO 레벨이 1.8V 이상인 마이크로 컨트롤러로 제어할 수 있습니다. GPIO 핀을 CB 핀과 접지 사이에 약 0.1F의 소형 커패시터와 연결하면 모든 과도 상태가 제거됩니다.

비디오 신호 스위칭

비디오 신호를 스위칭할 때는 더 높은 주파수 신호로 인해 R_ON과 기생 정전 용량의 트레이드 오프가 중요해지기 때문에 스위칭이 더 복잡해집니다. R_ON이 낮은 아날로그 스위치는 기생 정전 용량이 더 커서 대역폭이 줄고 이로 인해 비디오 품질이 낮아집니다.

따라서, 비디오 스위칭에는 R_ON이 더 높고 그에 해당하는 만큼 기생 정전 용량이 더 낮은 아날로그 스위치가 권장됩니다. 하지만 이 경우 비디오 신호 증폭이 감소하므로 비디오 증폭기를 더 추가하여 보상해야 합니다. 여러 고주파 신호를 한 번에 전환해야 할 수 있기 때문에 신호 손실을 방지하기 위해 회로 기판 설계를 가능한 콤팩트하게 만드는 것이 중요합니다. 이를 위해서는 반드시 고집적 아날로그 스위치를 선택해야 합니다.

예를 들어, Integrated Device Technology(IDT)의 QS4A110QG는 고속 비디오 신호 스위칭 응용 분야를 대상으로 하는 이중 5PST 아날로그 스위치입니다. R_ON이 5Ω으로 비교적 낮고 기생 정전 용량은 10pF로 매우 낮기 때문에 1.8GHz의 대역폭이 가능합니다(그림 4).

그림 4: QS4A110은 대역폭이 1.8GHz인 고집적 이중 5PST 아날로그 스위치로 비디오 신호의 전환에 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: IDT)

그림 4를 보면, 전환된 출력이 C 또는 D가 되도록 A(x) 및 B(x) 신호를 서로 연결하면 단일 5PDT로 손쉽게 변환할 수 있습니다. 두 제어 신호 E1# 및 E2# 모두 Low 활성이므로, 논리 신호가 인버터로 하나의 제어 신호에 연결되고 다른 제어 신호가 비반전 버퍼로 연결되어 출력 선택이 가능합니다. 비반전 버퍼는 선택 사항이지만 스위치 출력 간의 경합 조건을 방지하기 위해 포함시키는 것이 좋습니다.

QS4A110은 켜기 시간이 6ns이고 끄기 시간이 6.5ns(최대)입니다. 따라서 회로의 켜기 및 끄기 시간은 실제로 스위치 및 부하 정전 용량의 RC 지연입니다.

결론

아날로그 스위치는 회로에 설계하기가 쉬운 것처럼 보이지만 일률적인 해결책은 없습니다. R_ON은 낮고 기생 정전 용량은 높거나, R_ON은 높고 기생 정전 용량은 낮은 트레이드 오프가 대역폭에 직접적인 영향을 미칩니다. 대상 설계에 적절한 특성을 가지는 장치를 선택하는 것이 중요합니다.