隨著消費者越來越依靠手機來聽音樂，對手機高階音訊品質的要求也因而水漲船高。對於眾多手機音訊工程師而言，這就意味著須要採用多種可提供最佳音質的音訊技術。
在許多情況下，會有來自多個源頭的訊號經由類比開關被饋入至音訊放大器，而設計人員往往必須了解從轉碼器到耳機的整個音訊路徑的失真度。本文將闡釋音訊類比開關的細微特性，以及如何利用總諧波失真(THD)、布局和性能來優化音訊路徑的保真度。
先決定類比音訊開關
在中高階手機設計中，往往有分別來自基頻(Baseband)、應用處理器或獨立式音訊轉碼器的多個音訊源。儘管許多手機都針對某項特定功能而設計如手機音樂功能，但基於此項功能，仍可以傳送不同的訊號。無論是在手機通話時由基頻產生，或收聽MP3音樂時由應用處理器產生的左右音訊訊號，最終這些來自不同源頭的音訊訊號都會被傳送到耳機插孔，而這些訊號的傳送通常是藉由一個類比音訊開關來完成。
根據開關的輸入，它可能是一個直流電(DC)偏置訊號，或是一個交流電(AC)或負電壓(Negative Swing)耦合訊號。在許多情況下，訊號的DC準位決定需要何種類比開關，例如是可處理AC訊號的負電壓音訊開關，或是標準的音頻開關。
一旦確定類比開關的布局，接下來要考慮的布線要件就是低導通阻值(RON)開關。其原因在於，對音訊訊號而言，類比路徑的阻抗會對整體設計的功耗產生很大的影響。如果把音訊布線路徑和負載視為簡單的電壓分壓器，降低音訊路徑的RON就可減少系統中的熱耗功率，從而為耳機提供更大的功率。若要驅動低阻抗耳機，這點尤其關鍵。
在一般情況下，大多數高性能音訊開關都在0.4歐姆(Ω)左右。在大多數新設計中，類比開關的輸入訊號都選擇負電壓或AC偏置訊號，因為這樣可以省去220微法(μF)的DC阻隔電容(Blocking Capacitor)，並降低材料成本，簡化設計。
留意整體諧波失真
接下來，音訊工程師便須要分別測量各個元件的整體諧波失真。對音訊放大器的THD要求一般為0.1%。雖然這對音訊放大器已經足夠，但音訊工程師必須針對整個音訊路徑的THD進行預估，即使數值可達1%左右，但這仍然是普通人耳聽不到的。因此，若考慮從基頻處理器到耳機的音訊路徑，則包括印刷電路板(PCB)、放大器、類比開關和耳機等所有元件，整體THD應該小於1%。
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| 圖1 RON平坦度與輸入電壓的關係(THD結果適合於驅動32歐姆負載的1伏特偏置1Vpp訊號) |
為確定最佳音訊THD在1%範圍內，必須根據工作電壓來考慮類比音訊開關的THD。THD與類比開關的導通阻抗相關。一般來說，隨著導通阻值增加，導通阻值平坦度，即導通阻抗在輸入電壓兩端的變化，也相應升高；而導通阻值平坦度的升高會降低THD性能。也就是說，在輸入電壓的兩端，導通阻抗越平坦，THD性能就越好。目前市面上已有業者推出在3伏特(V)電壓下的導通阻抗平坦度能維持在0.4歐姆的音訊類比開關。
圖1所示為一個0.4歐姆的低負電壓開關隨工作電壓的變化，以及對導通阻值的影響。從圖中可以看出，對於1.65伏特工作電壓，RON尖峰在1伏特VIN時大於3.5歐姆，意味著THD超過4%(圖2)。
納入其他考量
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| 圖2 THD與頻率的關係 |
對高保真度系統而言，工作電壓為1.65伏特的負電壓開關會徹底破壞性能。也就是說，即使音訊工程師把主要的工作焦點集中於高性能音訊放大器上，掌握類比音訊開關的使用方法也很重要。如果一個設計人員打算採用低THD的音訊放大器，並把訊號饋入到高THD工作電壓的類比開關，將徹底破壞系統和音訊訊號的性能。
若進一步觀察圖2，即能確定，對於這個特定開關，系統的最低THD實際上是在3.0伏特工作電壓的時候。而出乎意料的是，在4.5伏特時得到的THD竟然大於0.01%。
雖然此一結果與被測的類比開關有關，但這次的經驗顯示，在選擇或運用音訊類比開關時，設計人員必須充分了解開關在不同工作電壓下的音訊THD，這將有助於提高整體音訊路徑的性能。
音訊類比開關須要考慮的另一重要事項是斷開的開關擲刀(Disconnected Throw)和公共埠間的串音(Crosstalk)，因為在應用處理器發送音訊訊號時，基頻處理器也能夠發送音訊訊號。有些音訊架構會泄放(Bleed)音訊訊號到公共埠，從而破壞耳機的音訊訊號，所以需要斷電保護。
因此，在選擇正確的類比音訊開關時，就必須要了解元件是否帶有斷電保護及關斷隔離功能，以確保音訊品質。有些類比開關，還採用終端電阻來確保未選埠可對地放電，此舉將有助於消除部分滴答(Click)和爆破(Pop)的音訊雜訊。
關鍵參數決定一切
綜合以上說明，只要考慮到關鍵參數，選擇一個滿足系統要求的音訊類比開關將可以變得很簡單。即使在可攜式裝置中，若了解音訊路徑上所有元件的影響，並對這些影響進行管理，將有助於提高系統性能，確保整體設計的穩健性。
(本文作者任職於快捷半導體)