Articolul de față prezintă un comutator analogic integrat având performanțe de înaltă clasă. Circuitul integrat SD5002S este produs de firma „Siliconix” din S.U.A. și reprezintă o realizare specifică pentru acest tip de aplicații.
Condițiile impuse unui comutator audio de calitate sunt următoarele:
- distorsiuni armonice cât mai reduse, preferabil sub 0,01%;
- răspuns liniar într-o bandă mare de frecvență (până la cca 1 MHz);
- separare bună între canale;
- liniaritate de fază;
- rezistență de izolație ridicată în poziția „off”;
- viteză de comutare ridicată (< 1 ns);
- lipsa zgomotelor și a distorsiunilor la efectuarea comutării;
- câștig unitar sau variabil;
- control direct asupra porților digitale;
- utilizarea cuplajului în curent continuu;
- mărime redusă;
- cost rezonabil.
Aplicațiile acestor comutatoare analogice sunt:
- sisteme video;
- sintetizatoare audio;
- mixere;
- aparatură pentru studiouri de înregistrare;
- aparatură pentru stații de radiodifuziune;
- aparatură audio de înaltă performanță etc.
Dacă avem în vedere că, în momentul de față, un amplificator audio are un număr mare de intrări și o serie de facilități de întreconectare și mixare a semnalelor, utilizarea clasică, de comutatoare de orice fel transformă circuitele de intrare ale aparatului într-un păienjeniș de cabluri ecranate, componente electromecanice etc., cu fiabilitate scăzută. Prin utilizarea de comutatoare analogice integrate, un comutator stereo pentru 8 intrări se poate realiza pe o placă cu dimensiunile de 10 x 18 cm, inclusiv amplificatorul sumator și cel de ieșire.
Comutatorul audio pe care-l prezentăm este realizat cu circuitul amintit mai sus care prezintă o rezistență mică în starea „on”, o capacitate proprie redusă și un timp de comutare foarte redus. Ca amplificator sumator și amplificator de ieșire a fost ales LF347 (National Semiconductor, S.U.A.) ce reunește într-o singură capsulă patru amplificatoare operaționale cu caracteristici audio foarte bune.
Modul de funcționare. Comutatoarele din componența circuitului SD5002S sunt menținute în poziția „normal deschis” prin legarea porților comutatorului la masă prin intermediul rezistențelor de 10 kΩ. Trecerea oricărui comutator în poziția închis („off”) se realizează prin modificarea potențialului porții corespunzătoare prin legare la +Ua. În cadrul schemei, perechile de comutatoare pot fi controlate simultan (stânga+dreapta) prin utilizarea unui rezistor comun. Capacitatea de interfațare a CI-SD5002S cu CI digitale deschide posibilități multiple pentru proiectarea circuitelor de comutare.
În figură este detaliată conectarea unui singur circuit SD5002S ca un comutator 2 x 1 stereo. Pentru a se obține un comutator 8 x 2 stereo sunt necesare 8 CI.
Punctele de însumare sunt localizate la intrările inversoare ale amplificatoarelor sumatoare.
Rezistențele RL reflectă impedanța sursei de semnal. O valoare mai mare a rezistențelor RL degradează diafonia și rezistența în stare „off”; valori mai scăzute ale rezistențelor vor îmbunătăți aceste caracteristici.
Valoarea rezistențelor Rc depinde de valoarea dorită a câștigului etajului. O valoare de 150 kΩ asigură un câștig unitar.
RD fixează valoarea impedanței de ieșire a etajului. În cazul în care comutatorul debitează pe o sarcină de impedanță ridicată, este necesară introducerea rezistențelor RD pentru menținerea performanțelor.
INDICAȚII CONSTRUCTIVE
Se vor utiliza condensatoare electrolitice cu tantal și condensatoare cu mică pentru circuitele de alimentare ale CI. Utilizarea acestor condensatoare va conduce la reducerea zgomotului atât la frecvențe înalte, cât și la frecvențe joase și vor avea o influență benefică asupra stabilității montajului.
Nu este necesară ecranarea montajului decât dacă lucrează în câmpuri electromagnetice cu valoare ridicată.
Conductoarele străbătute de curenți importanți vor fi îndepărtate de circuit.
Se va utiliza circuit imprimat dublu placat, din care o față va constitui masa cu efect de ecranare suplimentară.
În tabel sunt prezentate rezultatele obținute de producător asupra unor parametri ai unui comutator stereo cu 8 intrări.
Condițiile de efectuare a determinărilor:
- RL = 10 kΩ, în funcție de impedanța de ieșire a generatorului de frecvență utilizat;
- Ua = ±9 ÷ ±15 Vcc (±12 Vcc);
- tensiunea sumatorului de intrare ≤ 3,5 Vvv.
Utilizarea acestor tipuri de comutatoare asigură aparaturii audio o calitate corespunzătoare cu cerințele actuale și un nivel de fiabilitate ridicat.
📌 Explicații suplimentare de funcționare
- Structura Comutatorului Analogic (SD5002S): Circuitul SD5002S conține comutatoare analogice integrate realizate în tehnologie DMOS. Spre deosebire de comutatoarele CMOS clasice (cum ar fi CD4066), acestea oferă o viteză de comutare extrem de mare (< 1 ns), o rezistență internă de conducție foarte mică și liniară, dar mai ales o capacitate parazită minusculă între poarta de comandă și canalul audio. Acest lucru elimină complet zgomotul de comutare (clicul sau pocniturul parazit) în momentul schimbării sursei audio.
- Controlul Digital și Logica de Comandă: Intrările de comandă (G) controlează starea comutatoarelor. Când comanda este lăsată la masă (0V) prin rezistențele de 10 kΩ, comutatorul este deschis (izolație maximă, semnalul nu trece). Când pe poartă se aplică o tensiune pozitivă (+Ua), canalul devine conductor, lăsând semnalul audio de la intrare (Sursa 1, Sursa 2) să treacă spre pinii de ieșire (D).
- Etajul Sumator Virtual (LF347): Deoarece comutatoarele analogice pot introduce mici neliniarități dacă sunt parcurse de curenți mari, semnalele audio selectate sunt trimise direct în nodul de însumare (intrarea inversoare) al amplificatorului operațional
LF347(CI2). Acesta lucrează ca un sumator în mod curent (masă virtuală), menținând tensiunea pe pinul de ieșire al comutatorului foarte aproape de 0V, fapt care reduce distorsiunile armonice și diafonia (scurgerea semnalului între canalele stânga/dreapta sau între sursele active și cele inactive). Raportul dintre rezistența de reacție \(R_{C}\) și rezistența de intrare \(R_{A}\) stabilește amplificarea totală a etajului (\(Gain = R_C / R_A\)).
🛠️ Ghid de piese echivalente moderne
- Circuitul Integrat SD5002S: Circuitele integrate din seria SD5000 (DMOS quad analog switch array) produse de Siliconix sunt componente speciale de tip legacy, destul de greu de găsit în mod curent în rețelele moderne de distribuție.
- Echivalent modern: Pentru aplicații audio Hi-Fi moderne de înaltă performanță fără zgomot de comutare, se folosesc circuite integrate moderne de la Texas Instruments sau Analog Devices, cum ar fi seria DG411, DG412, ADG1408 (comutator cu 8 canale) sau MAX4617. Acestea oferă rezistențe în stare „on” extrem de mici (sub 5-10 Ω) și distorsiuni neglijabile.
- Amplificatorul Operațional LF347: Este un quad-operațional (4 amplificatoare în aceeași capsulă) cu intrări JFET, cu performanțe foarte bune pentru anii ’90. El se mai fabrică și astăzi și se poate utiliza direct în format standard DIP-14.
- Echivalent modern îmbunătățit: Pentru o calitate audio superioară (zgomot de fond mult mai mic și viteză de răspuns – slew rate – mai mare), se poate înlocui direct pin-la-pin cu TL074H (versiunea modernizată de la Texas Instruments) sau cu ultra-performantul OPA4134 (SoundPlus dedicat audio Hi-Fi).
- Rezistențele din schemă (\(R_A, R_B, R_C = 75\text{ k}\Omega\)): În schemele audio moderne din clasa Hi-Fi, este extrem de important ca aceste rezistențe să fie de tipul cu peliculă metalică (metal film) cu toleranță de 1% sau 0,1%. Aceasta asigură un echilibru perfect între canalul stâng și cel drept și un zgomot termic extrem de redus.
- Condensatoarele de filtraj cu tantal: Deși s-au folosit mult în epocă pentru decoupling, condensatoarele moderne electrolitice din aluminiu de tip Low-ESR sau condensatoarele ceramice multistrat (MLCC) de 100 nF plasate chiar lângă pinii de alimentare ai circuitelor integrate oferă o stabilitate excelentă și o imunitate foarte bună la oscilații parazite
