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  • 模擬開關在音頻電路中的應用介紹
    • 發布時間:2020-07-31 18:32:49
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    模擬開關在音頻電路中的應用介紹
    隨著諸如MP3播放器、個人媒體播放器等便攜音頻產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越多。音頻信號的流向不再是簡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,模擬開關以其低功耗、方便使用的特點而大顯身手。但是市場上有各種各樣不同性能的模擬開關,模擬開關中各種各樣的參數會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模擬開關的結構和工作原理,正確選用,正確設計電路以避免負面影響。
    CMOS模擬開關的基本結構
    模擬開關的基本結構如圖1所示,兩個增強型的PMOSFET和NMOSFET并聯在一起,在控制信號的作用下,同時打開或關閉。
    在MOSFET導通時,其特性類似于一個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描述,其中L和W是溝道長度和寬度,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,它們的并聯電阻就是CMOS模擬開關的導通電阻,從圖上可以看到,當輸入電壓在Vss和 Vcc中間附近時,導通電阻比較平坦;輸入電壓向兩邊變化時,導通電阻會逐漸增大并出現峰值,然后又逐漸減小。
    模擬開關導通
    電阻的影響
    既然CMOS模擬開關在電路中相當于一個電阻,信號在模擬開關的導通電阻上就會有壓降。在麥克風等音頻輸入通道上,由于一般音頻編解碼器或放大器的輸入阻抗較高,模擬開關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關;相反,在輸出通道上,當輸出驅動低阻抗的耳機或喇叭時,這時候的輸出電流很大,就必須使用導通電阻小于1W的模擬開關,以防止模擬開關上有較大的壓降,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說,信噪比S/N和總諧波失真(THD)是兩個非常關鍵的指標,標志著音頻產品的品質。在設計時,通常會非常關注信噪比,卻由于運放具有非常優越的線性而對THD有所忽視,但是模擬開關的導通電阻平直性恰恰就會影響THD。從圖3這一模擬開關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,輸出變為Rload/(Rload+Ron)Sinwt。由于Ron不是一個常數,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,模擬開關的芌on/Ron會高達40%,如果此時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關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,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使左右輸出不平衡,不僅使左右聲道的輸出功率發生變化,還容易使立體聲產生的音樂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,經常有復用輸出引腳或輸入輸出,比如圖4就是在一個MP3播放器中,一個USB口同時充當了立體聲耳機的輸出口,USB傳輸時發送和接收的是正電平信號,換為音頻輸出時,其信號相對于地信號是正負電平,因此,此時的模擬開關必須能通過負電平。在單電源供電的CMOS模擬開關結構中,輸入輸出端口上都有一個寄生的二極管,所以普通結構的模擬開關在單電源供電時只能通過-Vd~Vcc+Vd的電壓(Vd是寄生二極管的正向壓降,通常小于1V),這就限制了要通過的音頻信號的幅度,當音頻信號幅度超過+/-Vd時,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,導通電阻有一個峰值,因此相對于同樣的工作在Vcc/2直流電平上的信號,無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。
    解決這一問題的關鍵是把模擬開關能通過的電平的中心點從Vcc/2往下移,一個辦法是采用正負供電,但是在單電源供電的系統中,增加負電源不僅會增加費用和板面積,而且產生負電源的DC/DC變換器還會帶來開關噪聲。另一個思路是讓單電源供電的模擬開關通過負電平,MAX4672就是體現這一思路的創新產品,它能通過的信號電平從Vcc-5.5V到Vcc,在一般變攜產品最常用的3V供電電壓下,它剛好能通過-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隔直電容作用在耳機上,造成開機POP噪音。另一方面,如果在模擬開關切換過程中存在直流階躍電壓,也會出現切換時的咔嗒聲。利用在模擬開關的輸入端對地接電阻的方法,完全可以在打開音頻通道前使電容完成充電或放電過程,然后再連上耳機,如圖5所示,利用模擬開關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100W的旁路電阻,方便了使用。
    結語
    模擬開關正越來越多地被應用在便攜音視頻產品和手機終端中,在給設計帶來方便的同時,也會有一些影響。MAXIM的系列低阻模擬開關,以其低導通電阻、高電阻平直性以及能通過負電平的優異特性,能使設計的產品在不增加成本的情況下達到更高的性能。
    開關在音頻電路中的應用
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