휴대용 오디오 애플리케이션을 위한
네거티브 스윙 아날로그 스위치
네거티브 스윙 가능 아날로그 스위치가 휴대기기 디자인에 네거티브 스윙 증폭기를 이용할 수 있도록 한다.
그럼으로써 디자이너들이 AC 커플링 커패시터를 제거하고 따라서 오디오 팝을 현저히 낮추고 전체적인 시스템 성능을
향상시키고, 부품 수를 줄일 수 있도록 하고, 보드 공간을 절약한다.
글│Travis Williams, 페어차일드 반도체
휴대기기가 진정한 멀티미디어 기능을 융합함으로써 전통적 오디오 드라이버 회로가 새로운 아키텍처로 교체되고 있다. 이러한 새로운 디자인이 더욱 다양한 멀티미디어 기능의 구현을 가능케 한다. 이 새로운 시스템 아키텍처 는 새로운 혁신을 이끌고 있으며 아날로그 스위치 디자인의 다양화 시키고 있다. 시스템 설계자들이 전통적 단일 와이어 증폭기를 이용해 가능했던 것보다 더 높은 품질의 오디오 성능을 달성하기 위해 저전력 네거티브 스윙이 가능한 오디오 증폭기를 이용하기 시작했다.
네거티브 스윙 가능 스위치가 오디오 시스템 디자이너로 하여금 이들 0V 바이어스 오디오 증폭기를 이용해 다중의 스피커를 직접적으로 구동할 수 있도록 한다. 그러한 증폭기를 네거티브 스윙 가능 아날로그 스위치와 함께 이용함으로써 다중의 스피커 간에 오디오 소스 공유나 다중 오디오 소스를 단일 스피커로 전달하는 것이 가능하다. 최근까지만 해도 휴대기기 디자이너들이 거의 전적으로 출력 바이어스가 VCC/2로 설정된 표준형 증폭기를 이용했다.
이런 구성으로 클리핑을 이용하지 않고도 표준형 아날로그 스위치를 이용하여 고품질의 오디오 신호를 전달 하기에 이상적이었다. 이경우 스위치와 스피커 사이에 AC 커플링 커패시터를 배치해서 오디오 신호 상의 DC 바이어스를 제거했다. 새로운 저전력 클래스 D 0V 바이어스 출력 오디오 증폭기와 네거티브 스윙 스위치의 조합이 AC 커플링 커패시터를 제거할 수 있도록 함으로써 시스템 디자이너들에게 매우 용이함을 제공하고 있다.
이들 커패시터를 이용하지 않음으로써 디자이너는 스피커로 더 높은 전력을 공급할 수 있으며 다른 기타 설계상의 이점을 가질 수 있다. 그러한 이점의 일부로서 낮은 비용, 더 넓은 보드 공간, 간소화된 BOM, 일차적인 오디오 팝 소스의 제거를 들 수 있다. 이 글에서는 네거티브 스윙 오디오의 시스템 애플리케이션과 네거티브 스윙 가능 아날로그 스위치가 어떻게 추가적인 유연성을 제공해서 최종 제품을 향상시키는지에 대해 상세히 살펴보려고 한다.
멀티미디어 컨버전스
소비자들은 휴대기기가 작은 폼팩터로 갈수록 더 많은 기능을 통합하면서 긴 배터리 수명을 유지하기를 원한다. 그러한 경향이 휴대전화에 디지털 뮤직 플레이어를 통합하는 것이다. In-Stat에서 최근에 실시한 조사에 따르면 MP3 플레이어를 구입하려고 계획 중인 소비자의 30%가 MP3/핸드셋 컴비네이션 폰을 구입할 것을 고려하는 것으로 나타났다.
이와 같이 올인원 폰/MP3 플레이어 컴비네이션 유닛으로 전환하는 경항에 따라서 사용자들이 휴대전화로 음악을 들을 때 독립형 MP3 플레이어로 음악을 들을 때와 마찬가지의 음질을 기대한다. 독립형 MP3 플레이어와 비교해서 성능이 저하되지 않기를 바라는 것이다. 많은 경우에 이는 스피커로 더 높은 전력을 공급해야 한다는 뜻이다. 사용자들은 또한 음악 출력 성능을 유지할 뿐만 아니라 배터리 수명을 희생하지 않으면서 음악의 선명성 및 품질을 유지하기를 원한다.
예를 들어 동일한 In-Stat 조사에서 응답자들은 뮤직 플레이어가 배터리 수명에 미칠 수 있는 영향에 대해 우려를 나타냈다. 이와 같이 상충하는 요구 때문에 시스템 디자이너가 배터리 수명을 유지하면서 스피커에 대한 전력 출력을 높일 수 있는 창의적 솔루션을 개발하게 되었다. 이 디자인 아키텍처에서 가장 눈에 띄는 변화가 효율성이 떨어지는 클래스 AB 증폭기에서 에너지 절약적인 클래스 D 증폭기로 전환했다는 점이다.
증폭기 유형을 바꿔서 전력을 절약할 뿐만 아니라 디자이너들이 이제는 네거티브 스윙 가능 증폭기와 함께 초저전력 네거티브 스윙 가능 아날로그 스위치를 이용함으로써 특정한 VCC 전원으로 출력 전압 스윙을 높일 수 있게 되었다. 몇몇 측면에서 이 새로운 기법이 실제로 오디오 성능을 향상시킨다고 할 수 있다.
네거티브 스윙 시스템의 이점
네거티브 스윙 시스템이 실제로 성능을 향상시키는 부분은 오디오 팝의 제거이다. AC 결합 시스템에서는 한 오디오 소스에서 다른 소스로 스위칭하거나 증폭기 팝업 시퀀스 때 팝 잡음이 발생할 수 있다. 커패시터 상에서 전압의 급작스러운 변화가 나타나 팝이 발생하고 그 결과로서 낮은 임피던스 경로가 발생함으로써 커패시터 상의 전하가 안정 상태에 도달할 때까지 전류가 흐르도록 한다. 커패시터가 이퀄라이징하기 위한 이 짧은 시간에 스피커가 전류 스파이크를 받음으로써 스피커에서 가청 주파수의 "팝" 잡음이 발생한다.
네거티브 스윙 시스템의 중요한 한 가지 이점이 오디오 신호의 전환과 관련된 오디오 팝 및 클릭의 발생을 현저히 줄인다는 것이다. 여러 가지 방법으로 네거티브 스윙 아날로그 스위치가 팝 잡음을 완화할 수 있도록 한다. 이 중에서도 가장 중요한 것이 AC 커플링 커패시터를 제거한다는 것이다. 그림 1은 아날로그 스위치를 이용한 전통적 VCC/2 바이어스 오디오 경로로서 스피커로 들어가기에 앞서 오디오 신호 바이어스를 VCC/2에서 0V로 전환하기 위해 AC 커플링 커패시터가 필요하다는 것을 보여준다. 
이 애플리케이션이 단일 스피커가 기기 내의 다중의 오디오 소스를 간편하게 공유할 수 있도록 하므로 매우 일반적으로 이용된다. 두 번째로 일반적인 애플리케이션은 단일 증폭기가 다중의 스피커를 구동하는 것이다. 이는 스위치의 양방향 특성 이점을 이용해서 구연한다. 오디오 소스를 공통의 포트로 연결함으로써 스위치를 이용해서 2개의 출력 스피커, 다시 말해서 헤드폰과 스피커폰 출력 사이에 오디오 신호를 전환할 수 있다.
그림 2는 동일한 시스템 구성으로서 네거티브 스윙 오디오 증폭기와 함께 네거티브 스윙 아날로그 스위치를 이용했다. 이 애플리케이션에서는 증폭기로부터의 오디오 출력이 이미 0V로 바이어스되었으므로 AC 커플링 커패시터가 필요하지 않다.
아날로그 스위치가 네거티브 입력 신호를 전달할 수 있으므로 네거티브 스윙 가능 스위치가 아닌 경우에서처럼 클리핑을 방지하기 위해 증폭기 출력 바이어스를 변경할 필요가 없다. AC 커플링 커패시터를 제거함으로써 커패시티브 충전/방전 효과를 제거하고 결과적으로 전류 스파이크를 발생시키는 팝을 제거함으로써 오디오 시스템에서 팝 잡음의 일차적인 소스를 제거할 수 있다.
AC 커플링을 제거함으로써 오디오 성능 및 품질을 향상시킬 뿐만 아니라 보드 공간을 절약하는 추가적인 이점을 제공한다(커플링 커패시터가 보통 100~220uF 범위로 매우 대형이다). 뿐만 아니라 시스템 BOM을 간소화한다. 이러한 이점들이 디자이너를 위해 더 높은 유연성을 제공하며 전체적인 시스템 비용을 절감한다.
네거티브 신호를 전달하는 것 이외에도 일부 아날로그 스위치는 선택되지 않은 포트에 빌트인 터미네이션 저항을 이용한다. 이로써 선택되지 않은 포트 상에서 기생 라인 또는 보드 커패시턴스로 인한 전하 빌드업이 소산되도록 해서 제품의 잡음 억제 특성을 향상시킨다. 커패시터를 제거하는 것이 잡음 제거에 있어 중요한 요인이기는 하나 빌트인 터미네이션을 추가함으로써 팝 제거 특성을 향상시킬 수 있다.
네거티브 스윙 기능은 단순한 순수 오디오 애플리케이션 이외에도 다중의 신호 유형을 공유해야 하는 어떠한 디자인에든 용이하게 사용할 수 있다. 예를 들어 그림 3은 FSA2380을 이용해서 Full Speek USB, 오디오, UART 데이터 간에 스위칭하는 것을 보여준다. 이 스위치를 표준 접지 레퍼런스 전원장치로 구동할 수 있으므로 네거티브 스윙 오디오 데이터뿐만 아니라 표준 접지/VCC 레퍼런스 신호도 처리할 수 있다. 이렇게 입출력 포트의 공유에 일반적으로 사용될 수 있다. 
네거티브 스윙 오디오 시스템의 두 번째 이점은 디자이너가 특정한 전원 범위로 오디오 경로 전압 스윙을 높일 수 있다는 것이다. 시스템 전원장치가 흔히 배터리가 제공하는 최대 전압으로 제한되므로 표준 VCC/2 바이어스 오디오 신호를 이용할 때 변화할 수 있는 유연성이 매우 낮다. 네거티브 스윙 증폭기는 흔히 내부 차지 펌프를 이용해서 증폭기 출력을 두 배로 높이고 이 스윙을 0V로 중심을 맞출 수 있도록 한다.
예를 들어 표준 VCC/2 바이어스 시스템에서는 출력 진폭이 0V에서 VCC 사이여야 한다. 하지만 0V 바이어스 시스템에서는 피크 대 피크 출력 진폭을 높일 수 있다. 네거티브 스윙 가능 아날로그 스위치를 추가함으로써 시스템 디자이너가 공유 스피커로 VCC/2 바이어스 신호를 간편하게 전환해서 VCC/2 바이어스 오디오 경로로 전달 가능한 것보다 더 높은 출력 볼륨을 구연할 수 있다.
이 오디오 신호 진폭이 정격 배터리 전원 값보다 최고 1V 높을 수 있으므로 최대 5.25V의 총 스윙을 가능하게 한다. 네거티브 스윙 아날로그 스위치를 선택할 때 고려해야 할 중요한 점이 단일 접지의 레퍼런스 전원장치를 이용해서 네거티브 전압을 전달할 수 있는 능력이다. 페어차일드의 네거티브 스윙 스위치가 저전력(보통 1uA 미만)용으로 최적화됨으로써 차지 펌프를 포함하지 않으므로 시스템 전력을 절약할 수 있도록 한다.
디자이너들이 이미 꽉 짜인 전력 예산 이내에서 설계해야 할 때 이 점이 중요하다. 이 스위치로 인해 기존의 사용 예 보다 더 높은 전력을 제공하고 단일 증폭기로 신호 공유를 가능하게 함으로써 시스템 비용을 절약할 수 있도록 한다.
결론
네거티브 스윙 가능 아날로그 스위치가 휴대기기 디자인에 네거티브 스윙 증폭기를 이용할 수 있도록 한다. 그럼으로써 디자이너들이 AC 커플링 커패시터를 제거하고 따라서 오디오 팝을 현저히 낮추고 전체적인 시스템 성능을 향상시키고, 부품 수를 줄일 수 있도록 하고, 보드 공간을 절약한다.
이들 제품이 또한 매우 효율적이라서 기존의 아날로그 스위치보다 더 많은 전력을 사용하지 않으므로 오디오 성능을 향상시키고 배터리 수명을 연장한다. 요컨대 네거티브 스윙 가능 아날로그 스위치가 더 높은 시스템 성능 및 유연성을 가능하게 하므로 오늘날의 휴대기기 디자이너들을 위해서 매우 유용하다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 02월호>