模拟开关在音频电路中的应用

随着诸如MP3播放器、个人媒体播放器等便携音频产品和高端智能手机的流行，在这些便携设备中，具有不同音频功能的芯片越来越多。音频信号的流向不再是简单地从解码芯片到功放再到喇叭或耳机，音源增多了，信号的流向也多了。在这些应用中，模拟开关以其低功耗、方便使用的特点而大显身手。但是市场上有各种各样不同性能的模拟开关，模拟开关中各种各样的参数会对音频信号造成影响，因此，如何从理论上保证音频指标就显得非常重要。这就要求工程师了解CMOS模拟开关的结构和工作原理，正确选用，正确设计电路以避免负面影响。

CMOS模拟开关的基本结构
模拟开关的基本结构如图1所示，两个增强型的PMOSFET和NMOSFET并联在一起，在控制信号的作用下，同时打开或关闭。
在MOSFET导通时，其特性类似于一个随输入电压变化的可变电阻。PMOS和NMOS的导通电阻分别可以用下列方程来描述，其中L和W是沟道长度和宽度，mn和mp是电子和空穴的迁移率，Vgs是栅源电压，Cox是氧化层电容，Vt是MOSFET的阈值电压。

PMOS和NMOS的导通电阻随输入电压的变化如图2所示，它们的并联电阻就是CMOS模拟开关的导通电阻，从图上可以看到，当输入电压在Vss和 Vcc中间附近时，导通电阻比较平坦；输入电压向两边变化时，导通电阻会逐渐增大并出现峰值，然后又逐渐减小。

模拟开关导通
电阻的影响
既然CMOS模拟开关在电路中相当于一个电阻，信号在模拟开关的导通电阻上就会有压降。在麦克风等音频输入通道上，由于一般音频编解码器或放大器的输入阻抗较高，模拟开关的导通电阻对信号的影响很小，因而可以选用导通电阻相对较高的模拟开关；相反，在输出通道上，当输出驱动低阻抗的耳机或喇叭时，这时候的输出电流很大，就必须使用导通电阻小于1W的模拟开关，以防止模拟开关上有较大的压降，造成信号的衰减。
确定了一定数值的导通电阻，还有两个非常重要的参数要考虑-导通电阻平直性以及通道间的匹配程度。对音频信号的处理来说，信噪比S/N和总谐波失真(THD)是两个非常关键的指标，标志着音频产品的品质。在设计时，通常会非常关注信噪比，却由于运放具有非常优越的线性而对THD有所忽视，但是模拟开关的导通电阻平直性恰恰就会影响THD。从图3这一模拟开关的等效电路中可以看出，输入信号为振幅为Vp的正弦信号VpSinwt，输出变为Rload/(Rload+Ron)Sinwt。由于Ron不是一个常数，它随Vin变化，因此输出自然就不再是正弦波。谐波分量幅值的均方根值与基波幅值的比就是谐波失真。工程上，模拟开关的芌on/Ron会高达40%，如果此时Ron=0.5W，Rload=8W，由于电阻平直性造成的THD将高达2.5%。MAXIM的低导通电阻模拟开关都具有非常好的电阻平直性，比如MAX4684，导通电阻在2.7V供电下只有0.5W， 芌on只有0.15W；MAX4714在3V供电下，导通电阻只有0.8W，芌on只有0.18W。
当考虑立体声输出时，不同通道间电阻的一致性非常重要，差的通道电阻一致性会使左右输出不平衡，不仅使左右声道的输出功率发生变化，还容易使立体声产生的音乐空间位置感遭到破坏。

供电电压对信号
电平的限制
在很多的设计中，由于输出接口数量的限制，经常有复用输出引脚或输入输出，比如图4就是在一个MP3播放器中，一个USB口同时充当了立体声耳机的输出口，USB传输时发送和接收的是正电平信号，换为音频输出时，其信号相对于地信号是正负电平，因此，此时的模拟开关必须能通过负电平。在单电源供电的CMOS模拟开关结构中，输入输出端口上都有一个寄生的二极管，所以普通结构的模拟开关在单电源供电时只能通过-Vd~Vcc+Vd的电压(Vd是寄生二极管的正向压降，通常小于1V)，这就限制了要通过的音频信号的幅度，当音频信号幅度超过+/-Vd时，负电平将被箝位在-Vd。另一方面，从导通电阻的形成中可知，输入电压在供电电压附近时，导通电阻有一个峰值，因此相对于同样的工作在Vcc/2直流电平上的信号，无形中增加了输入电平从负电平到正电平的导通电压的变化量，导致更大的谐波失真。
解决这一问题的关键是把模拟开关能通过的电平的中心点从Vcc/2往下移，一个办法是采用正负供电，但是在单电源供电的系统中，增加负电源不仅会增加费用和板面积，而且产生负电源的DC/DC变换器还会带来开关噪声。另一个思路是让单电源供电的模拟开关通过负电平，MAX4672就是体现这一思路的创新产品，它能通过的信号电平从Vcc-5.5V到Vcc，在一般变携产品常用的3V供电电压下，它刚好能通过-2.5~3V的音频信号。

输出POP/Click抑制
对于单端输出的耳机功放，总要采用很大的隔直电容，由于电容两端的电压不能突变，因此在上电的瞬间，功放输出的直流偏置电压就直接通过隔直电容作用在耳机上，造成开机POP噪音。另一方面，如果在模拟开关切换过程中存在直流阶跃电压，也会出现切换时的咔嗒声。利用在模拟开关的输入端对地接电阻的方法，完全可以在打开音频通道前使电容完成充电或放电过程，然后再连上耳机，如图5所示，利用模拟开关的使能控制和对地电阻，就能消除POP/click噪音。MAX4762在内部集成了一个100W的旁路电阻，方便了使用。

结语
模拟开关正越来越多地被应用在便携音视频产品和手机终端中，在给设计带来方便的同时，也会有一些影响。MAXIM的系列低阻模拟开关，以其低导通电阻、高电阻平直性以及能通过负电平的优异特性，能使设计的产品在不增加成本的情况下达到更高的性能。■