浅谈音频模拟开关的设计要素

本文将阐释音频模拟开关的微小特性，以及如何利用总谐波失真(THD)、布局和性能来优化音频路径的保真度。

在中高端手机设计中，往往有分别来自基带、应用处理器或独立式音频编解码器的多个音频源。尽管许多手机都针对某项特定功能而设计(如手机音乐功能)，但基于此项功能仍可以传送不同的信号。无论是在手机通话时由基带产生的、或收听MP3音乐时由应用处理器产生的左右音频信号，最终这些来自不同源头的音频信号都会被传送到耳机接口，而这些信号的传送通常是经由一个模拟音频开关来完成。根据开关的输入，它有可能是一个DC偏置信号，或是一个AC(或负电压)耦合信号。在许多情况下，信号的DC水平决定了需要什么样的模拟开关，例如是可处理AC信号的负电压音频开关，或者是标准音频开关。

一旦确定音频开关的布局，接下来要考虑的布线元件就是低导通阻抗(RON)开关。其原因在于：对音频信号而言，模拟路径的阻抗会对总体设计的功耗有很大影响。如果把音频布线路径和负载视为简单的电压分压器，降低音频路径的RON 就可减少系统中的热耗功率，从而为耳机提供更大的功率。若要驱动低阻抗耳机，这一点尤其关键。一般情况下，大多数高性能音频开关都在0.4 Ω左右。在大多数新设计中，模拟开关的输入信号都选择负电压或AC偏置信号，因为这样做可以省去220µF的DC阻断电容，并降低材料成本，简化设计。这与目前无电容音频放大器的发展趋势是一致的。许多公司都有负电压模拟开关产品，但只有飞兆半导体公司能够提供了去掉传统电荷泵架构以节能的产品组合(包括FSA2269 和 FSA2271)。这些器件是双单刀双掷(dual SPDT)开关，用于把左右音频信号发送到音频连接器。这可节省数十乃至数百微安培电流。

接下来，音频工程师便需要分别测量各个元件的总体谐波失真(THD)。对音频放大器的THD要求一般为0.1%。虽然这对音频放大器已足够，但音频工程师必需对整个音频路径的THD进行预算，即使数值可达1%左右，但这仍然是普通人的耳朵所听不到的。因此，若我们考虑到从基带处理器到耳机的音频路径，包括PCB、放大器、模拟开关和耳机等所有元件，总体THD应该小于1%。为了确定最佳音频THD在1%范围以内，我们必须根据工作电压来考虑模拟音频开关的THD。THD与模拟开关的导通阻抗中固有相关的。一般来说，随着导通阻抗的增加，导通阻抗平坦度(即导通阻抗在输入电压范围的变化)也相应升高;而导通阻抗平坦度的升高会降低THD性能。也就是说，在输入电压范围内，导通阻抗越平坦，THD性能就越好。

如FSA2271等音频模拟开关在3V电压下的导通阻抗平坦度一般在0.4Ω左右。通常导通阻抗平坦度会随工作电压而变化，如图1所示。

图1：RON 平坦度与输入电压的关系(THD 结果适合于驱动 32Ω 负载的1V偏置 1Vpp 信号。)

图1所示为一个0.4Ω的低负电压开关随工作电压的变化，以及对导通阻抗的影响。从图中我们可以看到，对于1.65V工作电压，RON尖峰在1V VIN时大于3.5Ω，意味着THD超过4% ，如图2所示。

图2：THD与频率的关系

对于一个高保真度系统，工作电压为1.65V的负电压开关会彻底破坏性能。也就是说，即使音频工程师的主要工作焦点在于高性能音频放大器上，掌握模拟音频开关的使用方法也是至关重要的。如果一个设计人员打算采用低THD的音频放大器，并把信号馈入到高THD工作电压的模拟开关，将彻底破坏系统和音频信号的性能。
若我们进一步观察图2，即能确定，对于这个特定开关，系统的最低THD实际上在3.0V(而非4.5V)工作电压的时候。而出乎意料的是，在4.5V时得到的THD竟然大于0.01%。虽然这结果与被测的模拟开关有关，但这次经验显示出在选择或运用音频模拟开关时，设计人员必须充分了解开关在不同工作电压下的音频THD，这将大大有助于提高总体音频路径的性能。

音频模拟开关需要考虑的另一重要事项是断开的开关掷刀(disconnected throw)和公共端口之间的串扰，因为在应用处理器发送音频信号时，基带处理器都能够发送音频信号。有些音频架构会“泄放” (bleed)音频信号到公共端口，从而破坏耳机音频信号。这种情形时有发生，即使在模拟开关并未上电的时候，也有可能把信号泄漏到耳机中，所以需要断电保护。因此，在选择正确的模拟音频开关时，必须了解器件是否带有断电保护和关断隔离功能，以保证音频质量。例如，FSA2271T 就带有关断隔离(OIRR)，以及在100kHz时的串扰 (Xtalk) 规格为 -70dB。有些模拟开关，如 FSA2271T，还采用终端电阻来确保未选端口对地放电，此举有助于消除部分 “嘀嗒和爆破” (click and pop) 音频噪声。

综上所述，只要考虑了关键参数，选择一个满足系统要求的音频模拟开关是很简单的。即使在便携设备中，如果了解和管理音频路径上所有元件的影响，将有助于提高系统性能，并确保总体设计的稳健性。