利用負(fù)擺幅模擬開關(guān)提高系統(tǒng)音頻性能并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

　　目前設(shè)計(jì)人員正在嘗試使用具有負(fù)擺幅性能的低功率音頻放大器來(lái)獲得比傳統(tǒng)單端放大器更高的音頻性能，通過(guò)負(fù)擺幅開關(guān)可實(shí)現(xiàn)用零伏偏置音頻放大器直接驅(qū)動(dòng)多個(gè)揚(yáng)聲器。具有負(fù)擺幅功能的模擬開關(guān)和零伏偏置音頻放大器配合使用，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)揚(yáng)聲器共享音源或?qū)⒍鄠€(gè)音源信號(hào)傳輸?shù)絾蝹€(gè)揚(yáng)聲器上。當(dāng)終端用戶轉(zhuǎn)向使用全功能“電話+MP3”播放器組合設(shè)備時(shí)，就會(huì)體現(xiàn)出這兩種器件的誘人價(jià)值。

　　一直以來(lái)，便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員幾乎只依賴于輸出偏置設(shè)在V_cc/2的標(biāo)準(zhǔn)放大器。這種配置非常適合與標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)一起使用，信號(hào)通過(guò)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生削波現(xiàn)象，能維持較高的音頻性能。在開關(guān)和揚(yáng)聲器之間放置一個(gè)交流耦合電容以去除音頻信號(hào)上的直流偏置電壓。

　　而采用新型的低功率、D類、零偏壓輸出音頻放大器/負(fù)擺幅開關(guān)組合則可省去交流耦合電容，從而使設(shè)計(jì)人員獲得諸多系統(tǒng)方面的益處，同時(shí)還能滿足為揚(yáng)聲器提供更大功率的要求。這些益處包括成本更低、電路板占位空間更少、材料清單更簡(jiǎn)化，并能消除“POP”噪聲的主要來(lái)源。

負(fù)擺幅系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

　　在交流耦合系統(tǒng)中，從一個(gè)音源切換到另一個(gè)音源時(shí)，或在放大器上電期間都可能產(chǎn)生“POP”噪聲。由于電容電壓突變時(shí)就會(huì)產(chǎn)生POP噪聲，因而要采用低阻抗通道，在電容上的電荷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前都要允許電流經(jīng)過(guò)。在電容充電瞬間，揚(yáng)聲器上會(huì)出現(xiàn)電流尖峰，從而引發(fā)“POP”噪聲。而負(fù)擺幅系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)之一就在于能顯著減少與音頻信號(hào)線布線有關(guān)的“POP”噪聲和喀噠聲。

　　負(fù)擺幅模擬開關(guān)可以通過(guò)以下幾種方式減輕“POP”噪聲。第一種也是最重要的一種方式是去除交流耦合電容。圖1給出使用模擬開關(guān)的傳統(tǒng)V_cc/2偏壓音頻通道，此處需要采用一個(gè)交流耦合電容在音頻信號(hào)到達(dá)揚(yáng)聲器之前將其偏壓從V_cc/2變到零伏。這種應(yīng)用方式很普遍，可使單個(gè)揚(yáng)聲器非常方便地共享設(shè)備中的復(fù)合音源。

圖1：帶有交流耦合電容的標(biāo)準(zhǔn)V_cc/2偏壓音頻通道。

　　第二種常見(jiàn)的應(yīng)用是利用模擬開關(guān)的雙向特性，實(shí)現(xiàn)單個(gè)放大器驅(qū)動(dòng)多個(gè)揚(yáng)聲器。將音源連接到公共端口，就可利用開關(guān)在兩個(gè)不同模式的輸出揚(yáng)聲器(例如耳機(jī)和免提模式)之間傳輸音頻信號(hào)。

　　圖2所示為采用負(fù)擺幅音頻放大器和負(fù)擺幅模擬開關(guān)的相同系統(tǒng)配置。由于放大器的音頻輸出已經(jīng)偏置在零伏，所以不再需要交流耦合電容。模擬開關(guān)可以通過(guò)負(fù)輸入信號(hào)，因而無(wú)需改變放大器的輸出偏置以防止產(chǎn)生削波現(xiàn)象。去掉交流耦合電容就消除了電容充放電效應(yīng)以及產(chǎn)生POP噪聲的電流尖峰，從而有效地消除了音頻系統(tǒng)中POP噪聲的主要來(lái)源。

圖2：無(wú)需交流耦合電容的負(fù)擺幅音頻系統(tǒng)。

　　去除耦合電容不僅能提高音頻性能和質(zhì)量，還能節(jié)省電路板空間(耦合電容一般體積比較大，數(shù)值大多在100~20μF之間)。除了通過(guò)負(fù)極性信號(hào)外，一些模擬開關(guān)在不用的端口上還內(nèi)置終端電阻，通過(guò)釋放掉那些由于未選端口上的寄生線路或板電容引起的電荷積累，進(jìn)一步增強(qiáng)產(chǎn)品的噪聲抑制性能。

　　去除電容是減少噪聲的主要因素，而增加內(nèi)嵌終端電阻也有助于增強(qiáng)POP噪聲抑制性能。除了上述純音頻應(yīng)用外，負(fù)擺幅特性也能提高多種信號(hào)共享的設(shè)計(jì)性能。

　　圖3所示FSA2380用于實(shí)現(xiàn)全速USB、音頻和UART數(shù)據(jù)之間的切換。由于這些開關(guān)可以采用以地為參考的標(biāo)準(zhǔn)電源供電，因而不僅能處理負(fù)擺幅音頻信號(hào)，還能處理以地/V_cc/2為參考的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。該功能使得這類產(chǎn)品非常通用，設(shè)計(jì)人員可以很容易地實(shí)現(xiàn)不同類型信號(hào)共享一個(gè)公共端口。

圖3：具有負(fù)擺幅性能的模擬開關(guān)FSA2380可復(fù)用多種信號(hào)。

　　負(fù)擺幅音頻系統(tǒng)的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，允許設(shè)計(jì)人員在特定供電電壓范圍內(nèi)提高音頻路徑的電壓擺幅。由于系統(tǒng)電源常限于電池所能提供的最大電壓，因此在使用V_cc/2偏壓的標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)時(shí)變化余量非常小。負(fù)擺幅放大器常使用內(nèi)部充電泵，能使放大器的輸出范圍加倍，并將擺幅的中心點(diǎn)設(shè)為零伏。

　　例如，在標(biāo)準(zhǔn)的V_cc/2偏壓系統(tǒng)中，輸出信號(hào)幅度必須在零伏到V_cc之間。不過(guò)，在零伏偏置系統(tǒng)中，輸出幅度的峰峰值可以得到有效提高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員利用具有負(fù)擺幅性能的模擬開關(guān)就可以很容易地將零伏偏置信號(hào)傳輸?shù)焦蚕淼膿P(yáng)聲器，從而可提供更大的音量。音頻信號(hào)幅度最多可超出最大電池電壓1V，總擺幅達(dá)5.25V。

　　選擇負(fù)擺幅模擬開關(guān)時(shí)需要關(guān)注的一個(gè)重要特性是該器件在使用以地為參考的單端電源時(shí)通過(guò)負(fù)電壓的能力。例如飛兆半導(dǎo)體公司提供的負(fù)擺幅器件這類開關(guān)就針對(duì)低功率(典型值小于1μA)作了優(yōu)化，并且不包含充電泵，因而可以顯著節(jié)省系統(tǒng)功率，這對(duì)功率預(yù)算緊張的設(shè)計(jì)人員而言非常重要。

作者: Travis Williams

高級(jí)應(yīng)用工程師

飛兆半導(dǎo)體公司