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最小化音频系统中开关造成的总谐波失真处置方案

来源:analog 发布时间:2023-07-28

摘要: 开关通常用于音频系统中切换低电平输入或调整音频滤波器特性。在设计人员的成本预算内,选择合适的开关可以帮助优化系统的总谐波失真(THD)。

THD规范在确定通过音频系统或由音频系统产生的音频信号的质量或保真度方面起着关键作用。因此,在设计音频系统时,必须重视选择适当的组件和电路板布局,以最大限度地减少THD。

当通过开关传递信号时,开关不能降低信号的完整性,也不能在期望的输出信号上引入任何新的信息。波形的任何变化都被认为是失真,显然是不希望的,也是不可能避免的,因此必须最小化。


图1所示


THD被定义为所有二次、三次和更高次谐波的平方之和与基频幅值之比的平方根。

选择具有最小THD的开关需要具有低导通电阻(R(ON)),因此具有低导通电阻平坦度(R(FLAT(ON)))。一些开关数据表忽略了指定平坦度,但可以假设它约为导通电阻的10%。平坦度定义为在指定信号范围内测量的导通电阻最大值和最小值之间的差值。


图2、R(平 )

导通电阻曲线由两个mosfet的长度L、宽度W、电子和空穴迁移率(分别为µ(n)和µ(p))、氧化物电容C(OX)、阈值电压V(T)和信号电压V(GS) (V(IN))决定。



如上所示,PMOS和NMOS的导通电阻并联,产生电阻R,这是一个非线性函数。畸变的来源是PMOS和NMOS并联串联,负载恒定,导致通过开关的信号非线性衰减。有了多个开关,thd就会加在一起。下面的原理图显示了开关和负载的电阻-分压器关系。


图3

实际中,最大THD由下式确定:


如图2所示,并联R(ON),因此R(FLAT(ON))可以根据输入信号而变化,最大THD将出现在并联R(ON)的最大值和最小值之间的最大差值处。因此,工作在最大值以下一点的输入信号将经历较低的THD。

下面显示了三种不同的开关及其导通电阻和相应的测量THD。使用10千瓦的标准试验负荷获得该图。


图4、THD vs.频率

在音频系统中,会遇到1200、600、36、32、16、8、4和3千欧姆的阻抗负载,特别是在阻抗非常低的情况下,必须考虑导通电阻平坦度(R(FLAT(ON)))以最小化THD。如果THD是最高优先级,则公式4将提供选择开关的起点。



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