音頻模擬開(kāi)關(guān)的設計要點(diǎn)介紹

本文將闡釋音頻模擬開(kāi)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(lái)優(yōu)化音頻路徑的保真度。

在中高端手機設計中，往往有分別來(lái)自基帶、應用處理器或獨立式音頻編解碼器的多個(gè)音頻源。盡管許多手機都針對某項特定功能而設計(如手機音樂(lè )功能)，但基于此項功能仍可以傳送不同的信號。無(wú)論是在手機通話(huà)時(shí)由基帶產(chǎn)生的、或收聽(tīng)MP3音樂(lè )時(shí)由應用處理器產(chǎn)生的左右音頻信號，最終這些來(lái)自不同源頭的音頻信號都會(huì )被傳送到耳機接口，而這些信號的傳送通常是經(jīng)由一個(gè)模擬音頻開(kāi)關(guān)來(lái)完成。根據開(kāi)關(guān)的輸入，它有可能是一個(gè)DC偏置信號，或是一個(gè)AC(或負電壓)耦合信號。在許多情況下，信號的DC水平?jīng)Q定了需要什么樣的模擬開(kāi)關(guān)，例如是可處理AC信號的負電壓音頻開(kāi)關(guān)，或者是標準音頻開(kāi)關(guān)。

一旦確定音頻開(kāi)關(guān)的布局，接下來(lái)要考慮的布線(xiàn)元件就是低導通阻抗(RON)開(kāi)關(guān)。其原因在于：對音頻信號而言，模擬路徑的阻抗會(huì )對總體設計的功耗有很大影響。如果把音頻布線(xiàn)路徑和負載視為簡(jiǎn)單的電壓分壓器，降低音頻路徑的RON 就可減少系統中的熱耗功率，從而為耳機提供更大的功率。若要驅動(dòng)低阻抗耳機，這一點(diǎn)尤其關(guān)鍵。一般情況下，大多數高性能音頻開(kāi)關(guān)都在0.4 左右。在大多數新設計中，模擬開(kāi)關(guān)的輸入信號都選擇負電壓或AC偏置信號，因為這樣做可以省去220µF的DC阻斷電容，并降低材料成本，簡(jiǎn)化設計。這與目前無(wú)電容音頻放大器的發(fā)展趨勢是一致的。許多公司都有負電壓模擬開(kāi)關(guān)產(chǎn)品，但只有飛兆半導體公司能夠提供了去掉傳統電荷泵架構以節能的產(chǎn)品組合(包括FSA2269 和 FSA2271)。這些器件是雙單刀雙擲(dual SPDT)開(kāi)關(guān)，用于把左右音頻信號發(fā)送到音頻連接器。這可節省數十乃至數百微安培電流。

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

如FSA2271等音頻模擬開(kāi)關(guān)在3V電壓下的導通阻抗平坦度一般在0.4左右。通常導通阻抗平坦度會(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 結果適合于驅動(dòng) 32 負載的1V偏置 1Vpp 信號。)

圖1所示為一個(gè)0.4的低負電壓開(kāi)關(guān)隨工作電壓的變化，以及對導通阻抗的影響。從圖中我們可以看到，對于1.65V工作電壓，RON尖峰在1V VIN時(shí)大于3.5，意味著(zhù)THD超過(guò)4% ，如圖2所示。

圖2：THD與頻率的關(guān)系

對于一個(gè)高保真度系統，工作電壓為1.65V的負電壓開(kāi)關(guān)會(huì )徹底破壞性能。也就是說(shuō)，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(kāi)關(guān)的使用方法也是至關(guān)重要的。如果一個(gè)設計人員打算采用低THD的音頻放大器，并把信號饋入到高THD工作電壓的模擬開(kāi)關(guān)，將徹底破壞系統和音頻信號的性能。

若我們進(jìn)一步觀(guān)察圖2，即能確定，對于這個(gè)特定開(kāi)關(guān)，系統的最低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%。雖然這結果與被測的模擬開(kāi)關(guān)有關(guān)，但這次經(jīng)驗顯示出在選擇或運用音頻模擬開(kāi)關(guān)時(shí)，設計人員必須充分了解開(kāi)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(kāi)關(guān)需要考慮的另一重要事項是斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)擲刀(disconnected throw)和公共端口之間的串擾，因為在應用處理器發(fā)送音頻信號時(shí)，基帶處理器都能夠發(fā)送音頻信號。有些音頻架構會(huì )“泄放” (bleed)音頻信號到公共端口，從而破壞耳機音頻信號。這種情形時(shí)有發(fā)生，即使在模擬開(kāi)關(guān)并未上電的時(shí)候，也有可能把信號泄漏到耳機中，所以需要斷電保護。因此，在選擇正確的模擬音頻開(kāi)關(guān)時(shí)，必須了解器件是否帶有斷電保護和關(guān)斷隔離功能，以保證音頻質(zhì)量。例如，FSA2271T 就帶有關(guān)斷隔離(OIRR)，以及在100kHz時(shí)的串擾 (Xtalk) 規格為 -70dB。有些模擬開(kāi)關(guān)，如 FSA2271T，還采用終端電阻來(lái)確保未選端口對地放電，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，選擇一個(gè)滿(mǎn)足系統要求的音頻模擬開(kāi)關(guān)是很簡(jiǎn)單的。即使在便攜設備中，如果了解和管理音頻路徑上所有元件的影響，將有助于提高系統性能，并確?？傮w設計的穩健性。