利用負擺幅類比開關提高系統音訊性能並簡化設計

設計人員正嘗試使用具有負擺幅性能的低功率音訊放大器來獲得比傳統單端放大器更高的音訊性能，透過負擺幅開關可實現用零伏偏置音訊放大器直接驅動多個揚聲器。具有負擺幅功能的類比開關和零伏偏置音訊放大器配合使用，可以實現多個揚聲器共享音源或將多個音源訊號傳輸到單個揚聲器上。當終端用戶轉向使用全功能‘電話+MP3’播放器組合設備時，就會展現出這兩種元件的誘人價值。

一直以來，可攜式產品設計人員幾乎只依賴於輸出偏置設在V_cc/2的標準放大器。這種配置非常適合與標準類比開關一起使用，訊號通過時不會產生削波現象，能維持較高的音訊性能。在開關和揚聲器之間放置一個交流耦合電容以去除音訊訊號上的直流偏置電壓。

而採用新型的低功率、D類、零偏壓輸出音訊放大器/負擺幅開關組合則可省去交流耦合電容，使設計人員獲得諸多系統方面的益處，同時還能滿足為揚聲器提供更大功率的要求。這些益處包括成本更低、電路板佔位空間更少、材料清單更簡化，並能消除‘PoP’噪音的主要來源。

負擺幅系統優勢

在交流耦合系統中，從一個音源切換到另一個音源時，或在放大器上電期間都可能產生‘PoP’噪音。電容電壓突變時就會產生PoP噪音，因為要採用低阻抗通道，在電容上的電荷達到穩定狀態之前都要允許電流經過。在電容充電瞬間，揚聲器上會出現電流峰值，引發‘PoP’噪音。而負擺幅系統的主要優勢之一就在於能顯著減少與音訊訊號線佈線有關的‘PoP’噪音和喀噠聲。

負擺幅類比開關可透過以下幾種方式減輕‘PoP’噪音。第一種也是最重要的一種方式是去除交流耦合電容。圖1顯示了使用類比開關的傳統V_cc/2偏壓音訊通道，此處需要採用一個交流耦合電容，在音訊訊號到達揚聲器之前將其偏壓從V_cc/2變到零伏。這種應用方式很普遍，可使單個揚聲器非常方便地共享設備中的複合音源。

圖1：具有交流耦合電容的標準V_cc/2偏壓音訊通道。

第二種常見的應用是利用類比開關的雙向特性，實現以單一放大器驅動多個揚聲器。將音源連接到公共埠，就可利用開關在兩個不同模式的輸出揚聲器(例如耳機和免提模式)之間傳輸音訊訊號。

圖2所示為採用負擺幅音訊放大器和負擺幅類比開關的相同系統配置。由於放大器的音訊輸出已經偏置在零伏，所以不再需要交流耦合電容。類比開關可通過負輸入訊號，無需改變放大器的輸出偏置以防止產生削波現象。去掉交流耦合電容就消除了電容充放電效應以及產生PoP噪音的電流峰值，有效地消除了音訊系統中PoP噪音的主要來源。

圖2：無需交流耦合電容的負擺幅音訊系統。

去除耦合電容不僅能提高音訊性能和品質，還能節省電路板空間(耦合電容通常體積較大，數值大多在100~20μF之間)。除了通過負極性訊號外，一些類比開關在不用的埠上還內建終端電阻，透過釋放一些由於未選埠上的寄生線路或板電容引起的電荷積累，將進一步增強產品的噪音抑制性能。

去除電容是減少噪音的主要因素，而增加內嵌終端電阻也有助於增強PoP噪音抑制性能。除了上述純音訊應用外，負擺幅特性也能提高多種訊號共享的設計性能。

圖3以FSA2380元件為例，顯示了用於實現全速USB、音訊和UART數據之間的切換範例。由於這些開關可採用以接地為參考的標準電源供電，不僅能處理負擺幅音訊訊號，還能處理以接地/V_cc/2為參考的標準訊號。該功能使得這類產品非常通用，設計人員可以很容易地實現不同類型訊號共享一個公共埠。

圖3：具有負擺幅性能的類比開關FSA2380對多種不同訊號進行多工處理。

負擺幅音訊系統的第二個優點是允許設計人員在特定供電電壓範圍內提高音訊路徑的電壓擺幅。由於系統電源常限於電池所能提供的最大電壓，因此在使用V_cc/2偏壓的標準音訊訊號時變化餘量非常小。負擺幅放大器常使用內部充電泵，能使放大器的輸出範圍加倍，並將擺幅的中心點設為零伏。

例如，在標準的V_cc/2偏壓系統中，輸出訊號振幅必須在零伏到V_cc之間。不過，在零伏偏置系統中，輸出振幅的峰值可以得到有效提高，系統設計人員利用具有負擺幅性能的類比開關，就可以很容易地將零伏偏置訊號傳輸到共享的揚聲器，可提供更大的音量。音訊訊號振幅最多可超出最大電池電壓1V，總擺幅達5.25V。

選擇負擺幅類比開關時需要關注的一個重要特性，是該元件在使用以接地為參考的單端電源時通過負電壓的能力。例如Fairchild公司提供的負擺幅元件開關，就已針對低功率(典型值小於1μA)進行了最佳化，且不包含充電泵，可顯著節省系統功率，這對功率預算吃緊的設計人員而言非常重要。

作者: Travis Williams

資深應用工程師

Fairchild公司