模拟开关在音频电路中的应用
作者:im足球 来源:im赛事 发布时间:2022-07-04 07:28:58

  随着诸如MP3播放器、个人媒体播放器等便携音频产品和高端智能手机的流行,在这些便携设备中,具有不同音频功能的芯片越来越多。音频信号的流向不再是简单地从解码芯片到功放再到喇叭或耳机,音源增多了,信号的流向也多了。在这些应用中,模拟开关以其低功耗、方便使用的特点而大显身手。但是市场上有各种各样不同性能的模拟开关,模拟开关中各种各样的参数会对音频信号造成影响,因此,如何从理论上保证音频指标就显得非常重要。这就要求工程师了解CMOS模拟开关的结构和工作原理,正确选用,正确设计电路以避免负面影响。

  CMOS模拟开关的基本结构模拟开关的基本结构如图1所示,两个增强型的PMOSFET和NMOSFET并联在一起,在控制信号的作用下,同时打开或关闭。在MOSFET导通时,其特性类似于一个随输入电压变化的可变电阻。PMOS和NMOS的导通电阻分别可以用下列方程来描述,其中L和W是沟道长度和宽度,mn和mp是电子和空穴的迁移率,Vgs是栅源电压,Cox是氧化层电容,Vt是MOSFET的阈值电压。

  PMOS和NMOS的导通电阻随输入电压的变化如图2所示,它们的并联电阻就是CMOS模拟开关的导通电阻,从图上可以看到,当输入电压在Vss和 Vcc中间附近时,导通电阻比较平坦;输入电压向两边变化时,导通电阻会逐渐增大并出现峰值,然后又逐渐减小。

  模拟开关导通电阻的影响既然CMOS模拟开关在电路中相当于一个电阻,信号在模拟开关的导通电阻上就会有压降。在麦克风等音频输入通道上,由于一般音频编解码器或放大器的输入阻抗较高,模拟开关的导通电阻对信号的影响很小,因而可以选用导通电阻相对较高的模拟开关;相反,在输出通道上,当输出驱动低阻抗的耳机或喇叭时,这时候的输出电流很大,就必须使用导通电阻小于1W的模拟开关,以防止模拟开关上有较大的压降,造成信号的衰减。确定了一定数值的导通电阻,还有两个非常重要的参数要考虑-导通电阻平直性以及通道间的匹配程度。对音频信号的处理来说,信噪比S/N和总谐波失真(THD)是两个非常关键的指标,标志着音频产品的品质。在设计时,通常会非常关注信噪比,却由于运放具有非常优越的线性而对THD有所忽视,但是模拟开关的导通电阻平直性恰恰就会影响THD。从图3这一模拟开关的等效电路中可以看出,输入信号为振幅为Vp的正弦信号VpSinwt,输出变为Rload/(Rload+Ron)Sinwt。由于Ron不是一个常数,它随Vin变化,因此输出自然就不再是正弦波。谐波分量幅值的均方根值与基波幅值的比就是谐波失真。工程上,模拟开关的芌on/Ron会高达40%,如果此时Ron=0.5W,Rload=8W,由于电阻平直性造成的THD将高达2.5%。MAXIM的低导通电阻模拟开关都具有非常好的电阻平直性,比如MAX4684,导通电阻在2.7V供电下最大只有0.5W, 芌on只有0.15W;MAX4714在3V供电下,导通电阻最大只有0.8W,芌on只有0.18W。当考虑立体声输出时,不同通道间电阻的一致性非常重要,差的通道电阻一致性会使左右输出不平衡,不仅使左右声道的输出功率发生变化,还容易使立体声产生的音乐空间位置感遭到破坏。

  供电电压对信号电平的限制在很多的设计中,由于输出接口数量的限制,经常有复用输出引脚或输入输出,比如图4就是在一个MP3播放器中,一个USB口同时充当了立体声耳机的输出口,USB传输时发送和接收的是正电平信号,换为音频输出时,其信号相对于地信号是正负电平,因此,此时的模拟开关必须能通过负电平。在单电源供电的CMOS模拟开关结构中,输入输出端口上都有一个寄生的二极管,所以普通结构的模拟开关在单电源供电时只能通过-Vd~Vcc+Vd的电压(Vd是寄生二极管的正向压降,通常小于1V),这就限制了要通过的音频信号的幅度,当音频信号幅度超过+/-Vd时,负电平将被箝位在-Vd。另一方面,从导通电阻的形成中可知,输入电压在供电电压附近时,导通电阻有一个峰值,因此相对于同样的工作在Vcc/2直流电平上的信号,无形中增加了输入电平从负电平到正电平的导通电压的变化量,导致更大的谐波失真。解决这一问题的关键是把模拟开关能通过的电平的中心点从Vcc/2往下移,一个办法是采用正负供电,但是在单电源供电的系统中,增加负电源不仅会增加费用和板面积,而且产生负电源的DC/DC变换器还会带来开关噪声。另一个思路是让单电源供电的模拟开关通过负电平,MAX4672就是体现这一思路的创新产品,它能通过的信号电平从Vcc-5.5V到Vcc,在一般变携产品最常用的3V供电电压下,它刚好能通过-2.5~3V的音频信号。

  输出POP/Click抑制对于单端输出的耳机功放,总要采用很大的隔直电容,由于电容两端的电压不能突变,因此在上电的瞬间,功放输出的直流偏置电压就直接通过隔直电容作用在耳机上,造成开机POP噪音。另一方面,如果在模拟开关切换过程中存在直流阶跃电压,也会出现切换时的咔嗒声。利用在模拟开关的输入端对地接电阻的方法,完全可以在打开音频通道前使电容完成充电或放电过程,然后再连上耳机,如图5所示,利用模拟开关的使能控制和对地电阻,就能消除POP/click噪音。MAX4762在内部集成了一个100W的旁路电阻,方便了使用。

  结语模拟开关正越来越多地被应用在便携音视频产品和手机终端中,在给设计带来方便的同时,也会有一些影响。MAXIM的系列低阻模拟开关,以其低导通电阻、高电阻平直性以及能通过负电平的优异特性,能使设计的产品在不增加成本的情况下达到更高的性能。■

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