Negative-Swing-Analogschalter Optimiertes Audiodesign in mobilen Endgeräten

Autor / Redakteur: Travis Williams* / Jan Vollmuth

Analogschalter mit Negative-Swing-Eigenschaft sind ideal für tragbare Audioapplikationen: Sie reduzieren Audio-Pops, sparen Komponenten und Platz auf der Leiterplatte und verbrauchen nicht mehr Strom als herkömmliche Analogschalter.

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Bild 1: Mit AC-Kopplungskondensator – Standardisierter VCC/2 vorgespannter Audiopfad mit AC-Kopplung
Bild 1: Mit AC-Kopplungskondensator – Standardisierter VCC/2 vorgespannter Audiopfad mit AC-Kopplung
( Archiv: Vogel Business Media )

Analogschalter mit Negative-Swing-Eigenschaft sind ideal für tragbare Audioapplikationen: Sie reduzieren die so genannten Audio-Pops, sparen Komponenten und damit Platinenfläche und verbrauchen nicht mehr Strom als herkömmliche Analogschalter. Dies resultiert in besserer Audio-Performance und langer Batterielaufzeit. Konsumenten erwarten von einem modernen Handy ein ähnliches Musikerlebnis wie bei einem separaten MP3-Player. Daraus erwächst häufig der Bedarf nach mehr Leistung für die Lautsprecher – ohne dass die Batterielaufzeit darunter leidet.

Systemdesigner reagierten auf diese Anforderungen mit neuen Audio-Designs: Sie wechselten von weniger effizienten Class-AB-Verstärkern zu Energie sparenden Class-D-Verstärkern. Dadurch sparten sie nicht nur Leistung, sondern können auch den Ausgangsspannungshub bei einer vorgegebenen Versorgungsspannung VCC erhöhen. Dazu verwenden sie einen Negative-Swing-Verstärker in Verbindung mit einem Low-Power-Analogschalter, der ebenfalls Negative-Swing-Eigenschaften aufweist.

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Dieser neue Ansatz hat die Audio-Performance in der Tat verbessert.

Vorteile eines Negative-Swing-Systems

Negative-Swing-Systeme können den so genannten Audio-Pop weit gehend unterdrücken. Ein Audio-Pop kann in AC-gekoppelten Systemen auftreten, wenn von einer Audioquelle zur anderen geschaltet oder Verstärker eingeschaltet wird.

Ebenso können Pop-Geräusche auftreten, wenn am Kondensator plötzliche Spannungsänderungen auftreten, denn ein Pfad mit geringer Impedanz resultiert in einem Stromfluss, bis die Kondensatorladung einen stabilen Wert erreicht hat.

Gleicht der Kondensator während dieser kurzen Zeit den Lautsprecher aus, tritt eine Stromspitze auf, die einen hörbaren Ton im Lautsprecher erzeugt.

Ein Negative-Swing-System kann im Zusammenhang mit der Signalführung das Erscheinen der Audio-Pops und -Klicks erheblich reduzieren. Dies lässt sich auf verschiedene Weise erreichen.

Den AC-Kopplungskondensator entfernen

Der erste und wichtigste Weg ist das Entfernen des AC-Kopplungskondensators. Bild 1 zeigt einen herkömmlichen VCC/2 vorgespannten Audio-Signalpfad mit einem Analogschalter. Hier wird ein AC-Kopplungskondensator benötigt, der die Audiosignal-Vorspannung von VCC/2 auf 0 V setzt, bevor das Signal den Lautsprecher erreicht. Diese Schaltung wird häufig verwendet, da sich ein Lautsprecher innerhalb des Systems mehrere Audioquellen teilen kann.

Ebenso häufig soll ein Verstärker mehrere Lautsprecher versorgen. Dies wird durch die bidirektionale Eigenschaft des Schalters erreicht. Durch das Verbinden der Audioquelle mit dem gemeinsamen Port kann der Schalter die Audiosignalführung zwischen zwei unterschiedlichen Ausgangslautsprechern übernehmen, also z.B. zwischen Kopfhörer und Lautsprecher-Ausgängen.

Kein Ändern der Vorspannung des Verstärkerausgangs

Bild 2 zeigt die gleiche Systemkonfiguration mit einem Negative-Swing-Audioverstärker, der zusammen mit einem Negative-Swing-Analogschalter verwendet wird. Hier wird der AC-Kopplungskondensator nicht mehr benötigt, denn der Audio-Ausgang des Verstärkers ist bereits auf 0 V vorgespannt.

Da der Analogschalter negative Eingangssignale weiterleiten kann, muss die Vorspannung des Verstärkerausgangs nicht verändert werden, um das Begrenzen (Clipping) zu verhindern. Bei einem Schalter ohne negativem Hub wäre das nicht möglich.

Durch Wegfall des AC-Kopplungskondensators entfällt im Audiosystem die primäre Quelle von Popgeräuschen. Der kapazitive Lade-/Entladeeffekt und die damit einhergehenden Spitzenströme können nicht mehr auftreten.

Weniger Platinenfläche und Komponenten erforderlich

Der Wegfall der AC-Kopplung verbessert nicht nur die Audio-Performance und Qualität, sondern spart zudem Platinenfläche ein (Koppelkondensatoren im Bereich von 100 bis 220 µF sind relativ groß), die Materialliste wird übersichtlicher, die Systemkosten sinken.

Hinzu kommt, dass einige Analogschalter, ebenfalls ausgelegt für einen negativen Hub, über integrierte Abschlusswiderstände an den nicht benutzten Ports verfügen.

Dadurch wird die Störpegelunterdrückung des Produktes weiter verbessert, denn die durch parasitäre Leitungs- oder Platinenkapazitäten sich eventuell aufbauenden Ladungen an den unbenutzten Ports werden sicher eliminiert.

Der Wegfall des Kondensators ist zwar der wichtigste Faktor bei der Störpegelunterdrückung, doch tragen die Abschlusswiderstände zusätzlich dazu bei, Pop-Geräusche zu minimieren.

Auch andere Designs profitieren vom negativem Hub

Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Audio-Applikationen negativer Hub auch Designs verbessern, in denen mehrere Signalarten geteilt werden müssen. So zeigt Bild 3 z.B. den FSA2380, der zwischen schnellen USB-, Audio- und UART-Daten umschaltet.

Da der Schalter mit einer normalen Masse-bezogenen Stromversorgung betrieben wird, kann er nicht nur Audiodaten mit negativem Hub handhaben, sondern auch standardisierte Signale mit Masse/VCC -Referenz. Dank dieser Eigenschaft verfügt man über ein sehr flexibel einsetzbares Produkt, mit dem der Designer sehr unterschiedliche Signaltypen auf einen gemeinsamen Port geben kann.

Hub der Audiosignalspannung erhöhen

Ein weiterer Vorteil des Negative-Swing-Audiosystems: Der Hub der Audiosignalspannung lässt sich bei einem gegebenen Versorgungsspannungsbereich erhöhen. Da Systemstromversorgungen relativ oft mit der maximalen Spannung von der Batterie auskommen müssen, besteht wenig Spielraum, wenn man die standardisierten VCC/2-vorgespannten Audiosignale verwendet. Verstärker mit negativem Hub verwenden oft eine interne Ladungspumpe. Mit ihr kann der Verstärkerausgang verdoppelt und die Mitte des Hubs auf 0 V gesetzt werden.

So muss sich beispielsweise die Ausgangsamplitude in standardisierten VCC/2-vorgespannten Systemen zwischen 0 V und VCC befinden. In mit 0 V vorgespannten Systemen kann jedoch die Spitzenausgangsamplitude erhöht werden: Mit einem Negative-Swing-Analogschalter können Designer die mit 0 V vorgespannten Signale ohne weiteres zu den gemeinsam benutzten Lautsprechern durchgeben. So lässt sich ein größeres Ausgangsvolumen erzielen als mit einem Audiopfad, der auf der Vorspannung mit VCC/2 basiert.

Die Amplitude des Audiosignals kann bis zu 1 V über der typischen maximalen Batteriespannung liegen. Das bedeutet einen Gesamthub von bis zu 5,25 V.

Für geringe Leistungen ausgelegt

Bei der Auswahl eines Negative-Swing-Analogschalters sollte man darauf achten, dass er eine negative Spannung bei einer unsymmetrischen und massebezogenen Stromversorgung handhaben kann.

Fairchilds Negative-Swing-Schalter sind speziell für geringe Leistungen ausgelegt (typisch <1 µA) und verfügen daher über keine Ladungspumpe. Sie belasten daher die Systemstromversorgung nur sehr wenig. Dieser Aspekt ist für Systemdesigner sehr wichtig, da ihr Powerbudget meist eng begrenzt ist.

Diese Schalter können dennoch größere Leistungen verarbeiten als bisher möglich. Sie sparen zudem Systemkosten, da mit ihnen mehrere Signale an einem Verstärker angelegt werden können.

Ideal für portable Geräte mit Audiofunktionalität

Analogschalter mit Negative-Swing-Eigenschaft ermöglichen heute den Einsatz von Negative-Swing-Verstärkern in tragbaren Gerätedesigns, die ohne AC-Kopplungskondensator auskommen. Der Audio-Pop wird so deutlich reduziert.

Negative-Swing-Analogschalter verbessern die Gesamtperformance eines Systems, reduzieren die Komponentenanzahl und sparen Platinenfläche. Sie sind zudem sehr effizient, denn sie verbrauchen nicht mehr Strom als herkömmliche Analogschalter.

Damit eignen sich diese Produkte ideal für Designer tragbarer Geräte mit Audiofunktionalität.

Negative-Swing-Schalter auf einen Blick

In tragbaren Geräte kommen heute Low-Power-Audioverstärker mit negativem Hub (0 V Vorspannung) zum Einsatz. Sie erzielen eine höhere Audio-Performance als mit unsymmetrischen Verstärkern möglich ist. Durch Kombination eines solchen Verstärkers mit einem Negative-Swing-Analogschalter können mehrere Lautsprecher eine Audioquelle gemeinsam nutzen oder mehrere Audioquellen für einen Lautsprecher multiplexen.

Die neuen Class-D-Verstärker/Schalter-Kombinationen mit negativem Hub sind bei Systemdesignern sehr beliebt: Hier kann der AC-Koppelkondensator wegfallen, der bislang bei standardisierten Verstärkern mit festgelegter Ausgangsvorspannung von VCC/2 erforderlich war, um die DC-Vorspannung des Audiosignals zu entfernen.

Dies ermöglicht zahlreiche Systemvorteile und eine höhere Ansteuerleistung für die Lautsprecher. Zu den Vorteilen gehören zudem geringere Kosten, weniger Platinenfläche, eine vereinfachte Stückliste und der Wegfall der primären Quelle des so genannten Audio-Pops.

*Travis Williams, Senior Applications Engineer, Fairchild Semiconductor, South Portland/Maine/USA

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