淺談音頻模擬開關(guān)的設(shè)計(jì)要素

本文將闡釋音頻模擬開關(guān)的微小特性，以及如何利用總諧波失真(THD)、布局和性能來優(yōu)化音頻路徑的保真度。

在中高端手機(jī)設(shè)計(jì)中，往往有分別來自基帶、應(yīng)用處理器或獨(dú)立式音頻編解碼器的多個(gè)音頻源。盡管許多手機(jī)都針對(duì)某項(xiàng)特定功能而設(shè)計(jì)(如手機(jī)音樂功能)，但基于此項(xiàng)功能仍可以傳送不同的信號(hào)。無論是在手機(jī)通話時(shí)由基帶產(chǎn)生的、或收聽MP3音樂時(shí)由應(yīng)用處理器產(chǎn)生的左右音頻信號(hào)，最終這些來自不同源頭的音頻信號(hào)都會(huì)被傳送到耳機(jī)接口，而這些信號(hào)的傳送通常是經(jīng)由一個(gè)模擬音頻開關(guān)來完成。根據(jù)開關(guān)的輸入，它有可能是一個(gè)DC偏置信號(hào)，或是一個(gè)AC(或負(fù)電壓)耦合信號(hào)。在許多情況下，信號(hào)的DC水平?jīng)Q定了需要什么樣的模擬開關(guān)，例如是可處理AC信號(hào)的負(fù)電壓音頻開關(guān)，或者是標(biāo)準(zhǔn)音頻開關(guān)。

一旦確定音頻開關(guān)的布局，接下來要考慮的布線元件就是低導(dǎo)通阻抗(RON)開關(guān)。其原因在于：對(duì)音頻信號(hào)而言，模擬路徑的阻抗會(huì)對(duì)總體設(shè)計(jì)的功耗有很大影響。如果把音頻布線路徑和負(fù)載視為簡(jiǎn)單的電壓分壓器，降低音頻路徑的RON 就可減少系統(tǒng)中的熱耗功率，從而為耳機(jī)提供更大的功率。若要驅(qū)動(dòng)低阻抗耳機(jī)，這一點(diǎn)尤其關(guān)鍵。一般情況下，大多數(shù)高性能音頻開關(guān)都在0.4 Ω左右。在大多數(shù)新設(shè)計(jì)中，模擬開關(guān)的輸入信號(hào)都選擇負(fù)電壓或AC偏置信號(hào)，因?yàn)檫@樣做可以省去220µF的DC阻斷電容，并降低材料成本，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。這與目前無電容音頻放大器的發(fā)展趨勢(shì)是一致的。許多公司都有負(fù)電壓模擬開關(guān)產(chǎn)品，但只有飛兆半導(dǎo)體公司能夠提供了去掉傳統(tǒng)電荷泵架構(gòu)以節(jié)能的產(chǎn)品組合(包括FSA2269 和 FSA2271)。這些器件是雙單刀雙擲(dual SPDT)開關(guān)，用于把左右音頻信號(hào)發(fā)送到音頻連接器。這可節(jié)省數(shù)十乃至數(shù)百微安培電流。

接下來，音頻工程師便需要分別測(cè)量各個(gè)元件的總體諧波失真(THD)。對(duì)音頻放大器的THD要求一般為0.1%。雖然這對(duì)音頻放大器已足夠，但音頻工程師必需對(duì)整個(gè)音頻路徑的THD進(jìn)行預(yù)算，即使數(shù)值可達(dá)1%左右，但這仍然是普通人的耳朵所聽不到的。因此，若我們考慮到從基帶處理器到耳機(jī)的音頻路徑，包括PCB、放大器、模擬開關(guān)和耳機(jī)等所有元件，總體THD應(yīng)該小于1%。為了確定最佳音頻THD在1%范圍以內(nèi)，我們必須根據(jù)工作電壓來考慮模擬音頻開關(guān)的THD。THD與模擬開關(guān)的導(dǎo)通阻抗中固有相關(guān)的。一般來說，隨著導(dǎo)通阻抗的增加，導(dǎo)通阻抗平坦度(即導(dǎo)通阻抗在輸入電壓范圍的變化)也相應(yīng)升高;而導(dǎo)通阻抗平坦度的升高會(huì)降低THD性能。也就是說，在輸入電壓范圍內(nèi)，導(dǎo)通阻抗越平坦，THD性能就越好。

如FSA2271等音頻模擬開關(guān)在3V電壓下的導(dǎo)通阻抗平坦度一般在0.4Ω左右。通常導(dǎo)通阻抗平坦度會(huì)隨工作電壓而變化，如圖1所示。

圖1：RON 平坦度與輸入電壓的關(guān)系(THD 結(jié)果適合于驅(qū)動(dòng) 32Ω 負(fù)載的1V偏置 1Vpp 信號(hào)。)

圖1所示為一個(gè)0.4Ω的低負(fù)電壓開關(guān)隨工作電壓的變化，以及對(duì)導(dǎo)通阻抗的影響。從圖中我們可以看到，對(duì)于1.65V工作電壓，RON尖峰在1V VIN時(shí)大于3.5Ω，意味著THD超過4% ，如圖2所示。

圖2：THD與頻率的關(guān)系

對(duì)于一個(gè)高保真度系統(tǒng)，工作電壓為1.65V的負(fù)電壓開關(guān)會(huì)徹底破壞性能。也就是說，即使音頻工程師的主要工作焦點(diǎn)在于高性能音頻放大器上，掌握模擬音頻開關(guān)的使用方法也是至關(guān)重要的。如果一個(gè)設(shè)計(jì)人員打算采用低THD的音頻放大器，并把信號(hào)饋入到高THD工作電壓的模擬開關(guān)，將徹底破壞系統(tǒng)和音頻信號(hào)的性能。
若我們進(jìn)一步觀察圖2，即能確定，對(duì)于這個(gè)特定開關(guān)，系統(tǒng)的最低THD實(shí)際上在3.0V(而非4.5V)工作電壓的時(shí)候。而出乎意料的是，在4.5V時(shí)得到的THD竟然大于0.01%。雖然這結(jié)果與被測(cè)的模擬開關(guān)有關(guān)，但這次經(jīng)驗(yàn)顯示出在選擇或運(yùn)用音頻模擬開關(guān)時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須充分了解開關(guān)在不同工作電壓下的音頻THD，這將大大有助于提高總體音頻路徑的性能。

音頻模擬開關(guān)需要考慮的另一重要事項(xiàng)是斷開的開關(guān)擲刀(disconnected throw)和公共端口之間的串?dāng)_，因?yàn)樵趹?yīng)用處理器發(fā)送音頻信號(hào)時(shí)，基帶處理器都能夠發(fā)送音頻信號(hào)。有些音頻架構(gòu)會(huì)“泄放” (bleed)音頻信號(hào)到公共端口，從而破壞耳機(jī)音頻信號(hào)。這種情形時(shí)有發(fā)生，即使在模擬開關(guān)并未上電的時(shí)候，也有可能把信號(hào)泄漏到耳機(jī)中，所以需要斷電保護(hù)。因此，在選擇正確的模擬音頻開關(guān)時(shí)，必須了解器件是否帶有斷電保護(hù)和關(guān)斷隔離功能，以保證音頻質(zhì)量。例如，F(xiàn)SA2271T 就帶有關(guān)斷隔離(OIRR)，以及在100kHz時(shí)的串?dāng)_ (Xtalk) 規(guī)格為 -70dB。有些模擬開關(guān)，如 FSA2271T，還采用終端電阻來確保未選端口對(duì)地放電，此舉有助于消除部分 “嘀嗒和爆破” (click and pop) 音頻噪聲。

綜上所述，只要考慮了關(guān)鍵參數(shù)，選擇一個(gè)滿足系統(tǒng)要求的音頻模擬開關(guān)是很簡(jiǎn)單的。即使在便攜設(shè)備中，如果了解和管理音頻路徑上所有元件的影響，將有助于提高系統(tǒng)性能，并確?？傮w設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。