模擬開關在音頻電路中的應用

隨著諸如MP3播放器、個人媒體播放器等便攜音頻產(chǎn)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(shù)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(lián)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(lián)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(xiàn)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(shù)值的導通電阻，還有兩個非常重要的參數(shù)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(chǎn)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(yōu)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?yōu)镽load/(Rload+Ron)Sinwt。由于Ron不是一個常數(shù)，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(fā)生變化，還容易使立體聲產(chǎn)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(shù)量的限制，經(jīng)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(fā)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(tǒng)中，增加負電源不僅會增加費用和板面積，而且產(chǎn)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(xiàn)這一思路的創(chuàng)新產(chǎn)品，它能通過的信號電平從Vcc-5.5V到Vcc，在一般變攜產(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)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(yōu)異特性，能使設計的產(chǎn)品在不增加成本的情況下達到更高的性能?！?/p>