隨著諸如MP3播放器、個(gè)人媒體播放器等便攜音頻產(chǎn)品和高端智能手機(jī)的流行，在這些便攜設(shè)備中，具有不同音頻功能的芯片越來越多。音頻信號(hào)的流向不再是簡單地從解碼芯片到功放再到喇叭或耳機(jī)，音源增多了，信號(hào)的流向也多了。在這些應(yīng)用中，模擬開關(guān)以其低功耗、方便使用的特點(diǎn)而大顯身手。但是市場上有各種各樣不同性能的模擬開關(guān)，模擬開關(guān)中各種各樣的參數(shù)會(huì)對(duì)音頻信號(hào)造成影響，因此，如何從理論上保證音頻指標(biāo)就顯得非常重要。這就要求工程師了解CMOS模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)和工作原理，正確選用，正確設(shè)計(jì)電路以避免負(fù)面影響。
CMOS模擬開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)
模擬開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩個(gè)增強(qiáng)型的PMOSFET和NMOSFET并聯(lián)在一起，在控制信號(hào)的作用下，同時(shí)打開或關(guān)閉。
在MOSFET導(dǎo)通時(shí)，其特性類似于一個(gè)隨輸入電壓變化的可變電阻。PMOS和NMOS的導(dǎo)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(dǎo)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(guān)的導(dǎo)通電阻，從圖上可以看到，當(dāng)輸入電壓在Vss和 Vcc中間附近時(shí)，導(dǎo)通電阻比較平坦；輸入電壓向兩邊變化時(shí)，導(dǎo)通電阻會(huì)逐漸增大并出現(xiàn)峰值，然后又逐漸減小。
模擬開關(guān)導(dǎo)通
電阻的影響
既然CMOS模擬開關(guān)在電路中相當(dāng)于一個(gè)電阻，信號(hào)在模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻上就會(huì)有壓降。在麥克風(fēng)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(guān)的導(dǎo)通電阻對(duì)信號(hào)的影響很小，因而可以選用導(dǎo)通電阻相對(duì)較高的模擬開關(guān)；相反，在輸出通道上，當(dāng)輸出驅(qū)動(dòng)低阻抗的耳機(jī)或喇叭時(shí)，這時(shí)候的輸出電流很大，就必須使用導(dǎo)通電阻小于1W的模擬開關(guān)，以防止模擬開關(guān)上有較大的壓降，造成信號(hào)的衰減。
確定了一定數(shù)值的導(dǎo)通電阻，還有兩個(gè)非常重要的參數(shù)要考慮-導(dǎo)通電阻平直性以及通道間的匹配程度。對(duì)音頻信號(hào)的處理來說，信噪比S/N和總諧波失真(THD)是兩個(gè)非常關(guān)鍵的指標(biāo)，標(biāo)志著音頻產(chǎn)品的品質(zhì)。在設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)非常關(guān)注信噪比，卻由于運(yùn)放具有非常優(yōu)越的線性而對(duì)THD有所忽視，但是模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻平直性恰恰就會(huì)影響THD。從圖3這一模擬開關(guān)的等效電路中可以看出，輸入信號(hào)為振幅為Vp的正弦信號(hào)VpSinwt，輸出變?yōu)镽load/(Rload+Ron)Sinwt。由于Ron不是一個(gè)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(guān)的芌on/Ron會(huì)高達(dá)40%，如果此時(shí)Ron=0.5W，Rload=8W，由于電阻平直性造成的THD將高達(dá)2.5%。MAXIM的低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)都具有非常好的電阻平直性，比如MAX4684，導(dǎo)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(dǎo)通電阻最大只有0.8W，芌on只有0.18W。
當(dāng)考慮立體聲輸出時(shí)，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(huì)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(duì)信號(hào)
電平的限制
在很多的設(shè)計(jì)中，由于輸出接口數(shù)量的限制，經(jīng)常有復(fù)用輸出引腳或輸入輸出，比如圖4就是在一個(gè)MP3播放器中，一個(gè)USB口同時(shí)充當(dāng)了立體聲耳機(jī)的輸出口，USB傳輸時(shí)發(fā)送和接收的是正電平信號(hào)，換為音頻輸出時(shí)，其信號(hào)相對(duì)于地信號(hào)是正負(fù)電平，因此，此時(shí)的模擬開關(guān)必須能通過負(fù)電平。在單電源供電的CMOS模擬開關(guān)結(jié)構(gòu)中，輸入輸出端口上都有一個(gè)寄生的二極管，所以普通結(jié)構(gòu)的模擬開關(guān)在單電源供電時(shí)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(hào)的幅度，當(dāng)音頻信號(hào)幅度超過+/-Vd時(shí)，負(fù)電平將被箝位在-Vd。另一方面，從導(dǎo)通電阻的形成中可知，輸入電壓在供電電壓附近時(shí)，導(dǎo)通電阻有一個(gè)峰值，因此相對(duì)于同樣的工作在Vcc/2直流電平上的信號(hào)，無形中增加了輸入電平從負(fù)電平到正電平的導(dǎo)通電壓的變化量，導(dǎo)致更大的諧波失真。
解決這一問題的關(guān)鍵是把模擬開關(guān)能通過的電平的中心點(diǎn)從Vcc/2往下移，一個(gè)辦法是采用正負(fù)供電，但是在單電源供電的系統(tǒng)中，增加負(fù)電源不僅會(huì)增加費(fèi)用和板面積，而且產(chǎn)生負(fù)電源的DC/DC變換器還會(huì)帶來開關(guān)噪聲。另一個(gè)思路是讓單電源供電的模擬開關(guān)通過負(fù)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(hào)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(hào)。
輸出POP/Click抑制
對(duì)于單端輸出的耳機(jī)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(jī)上，造成開機(jī)POP噪音。另一方面，如果在模擬開關(guān)切換過程中存在直流階躍電壓，也會(huì)出現(xiàn)切換時(shí)的咔嗒聲。利用在模擬開關(guān)的輸入端對(duì)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(jī)，如圖5所示，利用模擬開關(guān)的使能控制和對(duì)地電阻，就能消除POP/click噪音。MAX4762在內(nèi)部集成了一個(gè)100W的旁路電阻，方便了使用。
結(jié)語
模擬開關(guān)正越來越多地被應(yīng)用在便攜音視頻產(chǎn)品和手機(jī)終端中，在給設(shè)計(jì)帶來方便的同時(shí)，也會(huì)有一些影響。MAXIM的系列低阻模擬開關(guān)，以其低導(dǎo)通電阻、高電阻平直性以及能通過負(fù)電平的優(yōu)異特性，能使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在不增加成本的情況下達(dá)到更高的性能。
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