如何利用负摆幅模拟开关提高系统音频性能并简化设计

目前设计人员正在尝试使用具有负摆幅性能的低功率音频放大器来获得比传统单端放大器更高的音频性能，通过负摆幅开关可实现用零伏偏置音频放大器直接驱动多个扬声器。具有负摆幅功能的模拟开关和零伏偏置音频放大器配合使用，可以实现多个扬声器共享音源或将多个音源信号传输到单个扬声器上。当终端用户转向使用全功能“电话+MP3”播放器组合设备时，就会体现出这两种器件的诱人价值。

一直以来，便携式产品设计人员几乎只依赖于输出偏置设在V_cc/2的标准放大器。这种配置非常适合与标准模拟开关一起使用，信号通过时不会产生削波现象，能维持较高的音频性能。在开关和扬声器之间放置一个交流耦合电容以去除音频信号上的直流偏置电压。

而采用新型的低功率、D类、零偏压输出音频放大器/负摆幅开关组合则可省去交流耦合电容，从而使设计人员获得诸多系统方面的益处，同时还能满足为扬声器提供更大功率的要求。这些益处包括成本更低、电路板占位空间更少、材料清单更简化，并能消除“POP”噪声的主要来源。

负摆幅系统的优势

在交流耦合系统中，从一个音源切换到另一个音源时，或在放大器上电期间都可能产生“POP”噪声。由于电容电压突变时就会产生POP噪声，因而要采用低阻抗通道，在电容上的电荷达到稳定状态之前都要允许电流经过。在电容充电瞬间，扬声器上会出现电流尖峰，从而引发“POP”噪声。而负摆幅系统的主要优势之一就在于能显著减少与音频信号线布线有关的“POP”噪声和喀哒声。

负摆幅模拟开关可以通过以下几种方式减轻“POP”噪声。第一种也是最重要的一种方式是去除交流耦合电容。图1给出使用模拟开关的传统V_cc/2偏压音频通道，此处需要采用一个交流耦合电容在音频信号到达扬声器之前将其偏压从V_cc/2变到零伏。这种应用方式很普遍，可使单个扬声器非常方便地共享设备中的复合音源。

图1：带有交流耦合电容的标准V_cc/2偏压音频通道。

第二种常见的应用是利用模拟开关的双向特性，实现单个放大器驱动多个扬声器。将音源连接到公共端口，就可利用开关在两个不同模式的输出扬声器(例如耳机和免提模式)之间传输音频信号。

图2所示为采用负摆幅音频放大器和负摆幅模拟开关的相同系统配置。由于放大器的音频输出已经偏置在零伏，所以不再需要交流耦合电容。模拟开关可以通过负输入信号，因而无需改变放大器的输出偏置以防止产生削波现象。去掉交流耦合电容就消除了电容充放电效应以及产生POP噪声的电流尖峰，从而有效地消除了音频系统中POP噪声的主要来源。

图2：无需交流耦合电容的负摆幅音频系统。

去除耦合电容不仅能提高音频性能和质量，还能节省电路板空间(耦合电容一般体积比较大，数值大多在100~20μF之间)。除了通过负极性信号外，一些模拟开关在不用的端口上还内置终端电阻，通过释放掉那些由于未选端口上的寄生线路或板电容引起的电荷积累，进一步增强产品的噪声抑制性能。

去除电容是减少噪声的主要因素，而增加内嵌终端电阻也有助于增强POP噪声抑制性能。除了上述纯音频应用外，负摆幅特性也能提高多种信号共享的设计性能。

图3所示FSA2380用于实现全速USB、音频和UART数据之间的切换。由于这些开关可以采用以地为参考的标准电源供电，因而不仅能处理负摆幅音频信号，还能处理以地/V_cc/2为参考的标准信号。该功能使得这类产品非常通用，设计人员可以很容易地实现不同类型信号共享一个公共端口。

图3：具有负摆幅性能的模拟开关FSA2380可复用多种信号。

负摆幅音频系统的第二个优点是，允许设计人员在特定供电电压范围内提高音频路径的电压摆幅。由于系统电源常限于电池所能提供的最大电压，因此在使用V_cc/2偏压的标准音频信号时变化余量非常小。负摆幅放大器常使用内部充电泵，能使放大器的输出范围加倍，并将摆幅的中心点设为零伏。

例如，在标准的V_cc/2偏压系统中，输出信号幅度必须在零伏到V_cc之间。不过，在零伏偏置系统中，输出幅度的峰峰值可以得到有效提高，系统设计人员利用具有负摆幅性能的模拟开关就可以很容易地将零伏偏置信号传输到共享的扬声器，从而可提供更大的音量。音频信号幅度最多可超出最大电池电压1V，总摆幅达5.25V。

选择负摆幅模拟开关时需要关注的一个重要特性是该器件在使用以地为参考的单端电源时通过负电压的能力。例如飞兆半导体公司提供的负摆幅器件这类开关就针对低功率(典型值小于1μA)作了优化，并且不包含充电泵，因而可以显著节省系统功率，这对功率预算紧张的设计人员而言非常重要。

作者: Travis Williams

高级应用工程师

飞兆半导体公司