模擬開(kāi)關(guān)在音頻電路中的應用

隨著(zhù)諸如MP3播放器、個(gè)人媒體播放器等便攜音頻產(chǎn)品和高端智能手機的流行，在這些便攜設備中，具有不同音頻功能的芯片越來(lái)越多。音頻信號的流向不再是簡(jiǎn)單地從解碼芯片到功放再到喇叭或耳機，音源增多了，信號的流向也多了。在這些應用中，模擬開(kāi)關(guān)以其低功耗、方便使用的特點(diǎn)而大顯身手。但是市場(chǎng)上有各種各樣不同性能的模擬開(kāi)關(guān)，模擬開(kāi)關(guān)中各種各樣的參數會(huì )對音頻信號造成影響，因此，如何從理論上保證音頻指標就顯得非常重要。這就要求工程師了解CMOS模擬開(kāi)關(guān)的結構和工作原理，正確選用，正確設計電路以避免負面影響。

CMOS模擬開(kāi)關(guān)的基本結構
模擬開(kāi)關(guān)的基本結構如圖1所示，兩個(gè)增強型的PMOSFET和NMOSFET并聯(lián)在一起，在控制信號的作用下，同時(shí)打開(kāi)或關(guān)閉。
在MOSFET導通時(shí)，其特性類(lèi)似于一個(gè)隨輸入電壓變化的可變電阻。PMOS和NMOS的導通電阻分別可以用下列方程來(lái)描述，其中L和W是溝道長(cháng)度和寬度，mn和mp是電子和空穴的遷移率，Vgs是柵源電壓，Cox是氧化層電容，Vt是MOSFET的閾值電壓。

PMOS和NMOS的導通電阻隨輸入電壓的變化如圖2所示，它們的并聯(lián)電阻就是CMOS模擬開(kāi)關(guān)的導通電阻，從圖上可以看到，當輸入電壓在Vss和 Vcc中間附近時(shí)，導通電阻比較平坦；輸入電壓向兩邊變化時(shí)，導通電阻會(huì )逐漸增大并出現峰值，然后又逐漸減小。

模擬開(kāi)關(guān)導通
電阻的影響
既然CMOS模擬開(kāi)關(guān)在電路中相當于一個(gè)電阻，信號在模擬開(kāi)關(guān)的導通電阻上就會(huì )有壓降。在麥克風(fēng)等音頻輸入通道上，由于一般音頻編解碼器或放大器的輸入阻抗較高，模擬開(kāi)關(guān)的導通電阻對信號的影響很小，因而可以選用導通電阻相對較高的模擬開(kāi)關(guān)；相反，在輸出通道上，當輸出驅動(dòng)低阻抗的耳機或喇叭時(shí)，這時(shí)候的輸出電流很大，就必須使用導通電阻小于1W的模擬開(kāi)關(guān)，以防止模擬開(kāi)關(guān)上有較大的壓降，造成信號的衰減。
確定了一定數值的導通電阻，還有兩個(gè)非常重要的參數要考慮-導通電阻平直性以及通道間的匹配程度。對音頻信號的處理來(lái)說(shuō)，信噪比S/N和總諧波失真(THD)是兩個(gè)非常關(guān)鍵的指標，標志著(zhù)音頻產(chǎn)品的品質(zhì)。在設計時(shí)，通常會(huì )非常關(guān)注信噪比，卻由于運放具有非常優(yōu)越的線(xiàn)性而對THD有所忽視，但是模擬開(kāi)關(guān)的導通電阻平直性恰恰就會(huì )影響THD。從圖3這一模擬開(kāi)關(guān)的等效電路中可以看出，輸入信號為振幅為Vp的正弦信號VpSinwt，輸出變?yōu)镽load/(Rload+Ron)Sinwt。由于Ron不是一個(gè)常數，它隨Vin變化，因此輸出自然就不再是正弦波。諧波分量幅值的均方根值與基波幅值的比就是諧波失真。工程上，模擬開(kāi)關(guān)的芌on/Ron會(huì )高達40%，如果此時(shí)Ron=0.5W，Rload=8W，由于電阻平直性造成的THD將高達2.5%。MAXIM的低導通電阻模擬開(kāi)關(guān)都具有非常好的電阻平直性，比如MAX4684，導通電阻在2.7V供電下最大只有0.5W， 芌on只有0.15W；MAX4714在3V供電下，導通電阻最大只有0.8W，芌on只有0.18W。
當考慮立體聲輸出時(shí)，不同通道間電阻的一致性非常重要，差的通道電阻一致性會(huì )使左右輸出不平衡，不僅使左右聲道的輸出功率發(fā)生變化，還容易使立體聲產(chǎn)生的音樂(lè )空間位置感遭到破壞。

供電電壓對信號
電平的限制
在很多的設計中，由于輸出接口數量的限制，經(jīng)常有復用輸出引腳或輸入輸出，比如圖4就是在一個(gè)MP3播放器中，一個(gè)USB口同時(shí)充當了立體聲耳機的輸出口，USB傳輸時(shí)發(fā)送和接收的是正電平信號，換為音頻輸出時(shí)，其信號相對于地信號是正負電平，因此，此時(shí)的模擬開(kāi)關(guān)必須能通過(guò)負電平。在單電源供電的CMOS模擬開(kāi)關(guān)結構中，輸入輸出端口上都有一個(gè)寄生的二極管，所以普通結構的模擬開(kāi)關(guān)在單電源供電時(shí)只能通過(guò)-Vd~Vcc+Vd的電壓(Vd是寄生二極管的正向壓降，通常小于1V)，這就限制了要通過(guò)的音頻信號的幅度，當音頻信號幅度超過(guò)+/-Vd時(shí)，負電平將被箝位在-Vd。另一方面，從導通電阻的形成中可知，輸入電壓在供電電壓附近時(shí)，導通電阻有一個(gè)峰值，因此相對于同樣的工作在Vcc/2直流電平上的信號，無(wú)形中增加了輸入電平從負電平到正電平的導通電壓的變化量，導致更大的諧波失真。
解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵是把模擬開(kāi)關(guān)能通過(guò)的電平的中心點(diǎn)從Vcc/2往下移，一個(gè)辦法是采用正負供電，但是在單電源供電的系統中，增加負電源不僅會(huì )增加費用和板面積，而且產(chǎn)生負電源的DC/DC變換器還會(huì )帶來(lái)開(kāi)關(guān)噪聲。另一個(gè)思路是讓單電源供電的模擬開(kāi)關(guān)通過(guò)負電平，MAX4672就是體現這一思路的創(chuàng )新產(chǎn)品，它能通過(guò)的信號電平從Vcc-5.5V到Vcc，在一般變攜產(chǎn)品最常用的3V供電電壓下，它剛好能通過(guò)-2.5~3V的音頻信號。

輸出POP/Click抑制
對于單端輸出的耳機功放，總要采用很大的隔直電容，由于電容兩端的電壓不能突變，因此在上電的瞬間，功放輸出的直流偏置電壓就直接通過(guò)隔直電容作用在耳機上，造成開(kāi)機POP噪音。另一方面，如果在模擬開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中存在直流階躍電壓，也會(huì )出現切換時(shí)的咔嗒聲。利用在模擬開(kāi)關(guān)的輸入端對地接電阻的方法，完全可以在打開(kāi)音頻通道前使電容完成充電或放電過(guò)程，然后再連上耳機，如圖5所示，利用模擬開(kāi)關(guān)的使能控制和對地電阻，就能消除POP/click噪音。MAX4762在內部集成了一個(gè)100W的旁路電阻，方便了使用。

結語(yǔ)
模擬開(kāi)關(guān)正越來(lái)越多地被應用在便攜音視頻產(chǎn)品和手機終端中，在給設計帶來(lái)方便的同時(shí)，也會(huì )有一些影響。MAXIM的系列低阻模擬開(kāi)關(guān)，以其低導通電阻、高電阻平直性以及能通過(guò)負電平的優(yōu)異特性，能使設計的產(chǎn)品在不增加成本的情況下達到更高的性能?！?/p>