如何利用負擺幅模擬開關提高系統(tǒng)音頻性能并簡化設計

　　目前設計人員正在嘗試使用具有負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，通過負擺幅開關可實現用零伏偏置音頻放大器直接驅動多個揚聲器。具有負擺幅功能的模擬開關和零伏偏置音頻放大器配合使用，可以實現多個揚聲器共享音源或將多個音源信號傳輸到單個揚聲器上。當終端用戶轉向使用全功能“電話+MP3”播放器組合設備時，就會體現出這兩種器件的誘人價值。

　　一直以來，便攜式產品設計人員幾乎只依賴于輸出偏置設在Vcc/2的標準放大器。這種配置非常適合與標準模擬開關一起使用，信號通過時不會產生削波現象，能維持較高的音頻性能。在開關和揚聲器之間放置一個交流耦合電容以去除音頻信號上的直流偏置電壓。

　　而采用新型的低功率、D類、零偏壓輸出音頻放大器/負擺幅開關組合則可省去交流耦合電容，從而使設計人員獲得諸多系統(tǒng)方面的益處，同時還能滿足為揚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、材料清單更簡化，并能消除“POP”噪聲的主要來源。

　　負擺幅系統(tǒng)的優(yōu)勢

　　在交流耦合系統(tǒng)中，從一個音源切換到另一個音源時，或在放大器上電期間都可能產生“POP”噪聲。由于電容電壓突變時就會產生POP噪聲，因而要采用低阻抗通道，在電容上的電荷達到穩(wěn)定狀態(tài)之前都要允許電流經過。在電容充電瞬間，揚聲器上會出現電流尖峰，從而引發(fā)“POP”噪聲。而負擺幅系統(tǒng)的主要優(yōu)勢之一就在于能顯著減少與音頻信號線布線有關的“POP”噪聲和喀噠聲。

　　負擺幅模擬開關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給出使用模擬開關的傳統(tǒng)Vcc/2偏壓音頻通道，此處需要采用一個交流耦合電容在音頻信號到達揚聲器之前將其偏壓從Vcc/2變到零伏。這種應用方式很普遍，可使單個揚聲器非常方便地共享設備中的復合音源。

　　圖1：帶有交流耦合電容的標準Vcc/2偏壓音頻通道。

　　第二種常見的應用是利用模擬開關的雙向特性，實現單個放大器驅動多個揚聲器。將音源連接到公共端口，就可利用開關在兩個不同模式的輸出揚聲器(例如耳機和免提模式)之間傳輸音頻信號。

　　圖2所示為采用負擺幅音頻放大器和負擺幅模擬開關的相同系統(tǒng)配置。由于放大器的音頻輸出已經偏置在零伏，所以不再需要交流耦合電容。模擬開關可以通過負輸入信號，因而無需改變放大器的輸出偏置以防止產生削波現象。去掉交流耦合電容就消除了電容充放電效應以及產生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擺幅音頻系統(tǒng)。

　　去除耦合電容不僅能提高音頻性能和質量，還能節(jié)省電路板空間(耦合電容一般體積比較大，數值大多在100~20μF之間)。除了通過負極性信號外，一些模擬開關在不用的端口上還內置終端電阻，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，進一步增強產品的噪聲抑制性能。

　　去除電容是減少噪聲的主要因素，而增加內嵌終端電阻也有助于增強POP噪聲抑制性能。除了上述純音頻應用外，負擺幅特性也能提高多種信號共享的設計性能。

　　圖3所示FSA2380用于實現全速USB、音頻和UART數據之間的切換。由于這些開關可以采用以地為參考的標準電源供電，因而不僅能處理負擺幅音頻信號，還能處理以地/Vcc/2為參考的標準信號。該功能使得這類產品非常通用，設計人員可以很容易地實現不同類型信號共享一個公共端口。

　　圖3：具有負擺幅性能的模擬開關FSA2380可復用多種信號。

　　負擺幅音頻系統(tǒng)的第二個優(yōu)點是，允許設計人員在特定供電電壓范圍內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Vcc/2偏壓的標準音頻信號時變化余量非常小。負擺幅放大器常使用內部充電泵，能使放大器的輸出范圍加倍，并將擺幅的中心點設為零伏。

　　例如，在標準的Vcc/2偏壓系統(tǒng)中，輸出信號幅度必須在零伏到Vcc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)設計人員利用具有負擺幅性能的模擬開關就可以很容易地將零伏偏置信號傳輸到共享的揚聲器，從而可提供更大的音量。音頻信號幅度最多可超出最大電池電壓1V，總擺幅達5.25V。

　　選擇負擺幅模擬開關時需要關注的一個重要特性是該器件在使用以地為參考的單端電源時通過負電壓的能力。例如飛兆半導體公司提供的負擺幅器件這類開關就針對低功率(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，這對功率預算緊張的設計人員而言非常重要。

　　作者: Travis Williams

　　高級應用工程師

　　飛兆半導體公司