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獲得比傳統(tǒng)單端放大器更高的音頻性能，通過負(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，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。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)可以通過負(fù)輸入信號(hào)，因而無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噪聲的主要來源。

圖2：無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，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