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摘要：短促的設(shè)計周期，再加上印刷板空間和成本方面的壓力，迫使蜂窩電話電路不斷向更高集成度發(fā)展。基本(低端)電話功能義無反顧地走向了單芯片方案。同時，嚴重關(guān)切品牌個性化的高、中端市場對于高性能、多功能的外設(shè)元件提出了越來越高的要求。這樣的市場推動力，再加上用戶不斷升級的功能整合要求，呼喚一種完整的、專為GSM/GPRS蜂窩電話優(yōu)化的模擬-數(shù)字音頻方案。這個優(yōu)化的方案同時還應該包括話音頻段的音頻功能(麥克風、受話器放大器，ADC和DAC等)，以及靈活的多媒體功能(高分辨率ADC和DAC，錄音、立體聲麥克風，耳機和8Ω揚聲器放大器等)。這樣的功能組和實現(xiàn)了蜂窩電話和應用音頻功能的無縫整合。
蜂窩電話中模擬音頻通道上的噪聲和干擾通常歸因于射頻到音頻頻段的解調(diào)或共用/不良接地。
接收到來自于電話天線的高能量射頻信號時，電話中帶寬相對較低的音頻電路會錯誤地解調(diào)射頻發(fā)射信號。這會惡化音頻通道的噪聲背景。可以在音頻放大器電路中采取一定技術(shù)和結(jié)構(gòu)將這種惡化效應減至最小，緊鄰輸入引腳放置抑制元件就是一種廉價的補救措施。經(jīng)常使用低值接地電容，因為設(shè)計者通常是按照射頻載波頻率選擇最低的電容器阻抗。
將所有通常會用到的模擬音頻輸入/輸出功能整合到單個IC中是一種非常有效的方案，它可將共用/不良接地帶來的影響減至最小。這實際上就是將問題最多、最麻煩的接地問題由印制板布局工程師轉(zhuǎn)移給了IC制造商。除了包含必要的模擬音頻輸入/輸出功能外，這種IC內(nèi)同時還必須提供足夠支持語音頻段和任何多媒體功能(例如應用處理器)的數(shù)字音頻接口。該IC還應提供對于不同單元的分區(qū)關(guān)斷控制，以最大化電池壽命。
下面著重討論在單芯片方案中出現(xiàn)的一些模擬/數(shù)字音頻問題。我們以MAX9851—這種簡化GSM/GPRS蜂窩電話設(shè)計的技術(shù)方案為樣板展開討論。
接地問題可以利用一個全差分輸入的麥克放大器解決。這種方法已被MAX9851采用，實際就是利用差分輸入對麥克的GND引腳進行遠端感應。采用遠端感應后，CODEC參照端和麥克GND之間的交流電壓差對于麥克放大器呈現(xiàn)為共模信號。這個電壓差被放大器的共模抑制比衰減，因而顯著降低了它對于信號通道的等效噪聲貢獻。這種設(shè)計的唯一代價是需要在麥克和CODEC之間多布一條印制板線條，以及增加一個耦合電容。
MAX9851也可切換到一個外部的立體聲麥克輸入來取代內(nèi)部麥克。這種輸入通常來自于汽車免提或其他外部耳機。這種情況下，EXTMICGND引腳“Kelvin感應 ” L和R兩個通道，利用放大器的輸入CMRR可以消除地噪聲，原理同上所述。EXTMICGND的印制板布線應該一直延伸到汽車免提插座或耳機插孔的GND端，以獲得最佳效果(圖1)。
圖1. 利用差分放大器可以遠端感應插座的參照“地”。內(nèi)部地和插座地之間的任何交流電壓被大幅度抑制，不被麥克放大器增益放大。
麥克偏置電路也會給信號通道引入顯著的噪聲。大部分偏置電壓噪聲會直接呈現(xiàn)在麥克放大器的輸入端。更加合理的麥克放大器設(shè)計，正如MAX9851中所集成的那樣，應該提供一個經(jīng)過調(diào)整的、輸出噪聲水平和麥克放大器輸入噪聲水平相匹配的低噪聲偏置電壓。
利用Maxim的DirectDrive技術(shù)可以去掉這兩個串聯(lián)電容，因為放大器的輸出參照于0V。這種情況下的低頻分量則受限于去直流濾波器(數(shù)字源，正如MAX9851中所設(shè)計的)，或者受限于線路或麥克等模擬源輸入上的輸入耦合電容。DirectDrive設(shè)計的另一個優(yōu)點是，當其離開或進入關(guān)斷模式時，從根本上消除了產(chǎn)生咔嗒/噼噗聲的原因。因為沒有串聯(lián)電容，也就無需對電容充電或放電，開/關(guān)過程中沒有凈電流流過耳機。
MAX9851的立體聲耳機輸出也可工作在橋式單聲道方式(圖2)，以便兼容不同的耳機和配件。同一個插座既可用于立體聲耳機，或者也可用于單聲道頭機(麥克加開關(guān)和揚聲器)。這種模式下輸出仍然參照于地，耳機電纜上沒有直流電壓。因此，出現(xiàn)短路故障的機會要小的多。
圖2. DirectDrive耳機輸出可工作于橋式單聲道方式或立體聲方式。Maxim專有的參照于地的輸出意味著不再需要串聯(lián)耦合電容，節(jié)省成本和PCB空間。
受話器輸出也使用Direct Drive設(shè)計中的電荷泵來供電，這樣輸出仍然是單端的，允許揚聲器負端連接到GND (0V)。輸出仍然具有和更為典型的BTL (差分)輸出幾乎相同的電壓擺幅，因為反相電荷泵提供了一個絕對值幾乎等于外加AVDD的負電源軌。最終輸出到受話器揚聲器兩端的峰到峰輸出幾乎可以達到2 x AVDD。
然而，在使用D類結(jié)構(gòu)時需要特別謹慎，尤其是當用在核心功能為射頻收/發(fā)的產(chǎn)品中時，例如蜂窩電話。高效率D類放大器工作中產(chǎn)生的快速切換沿會帶來射頻輻射問題，特別是當PCB布線和揚聲器引線較長時問題會更嚴重。為應對射頻輻射問題，MAX9851中的立體聲D類揚聲器放大器采用了公司專有的EMI抑制技術(shù)(主動限制輻射)，以輕微的效率降低為代價，大幅度抑制了揚聲器引線/布線上的射頻輻射。精湛的IC構(gòu)造技術(shù)使D類開關(guān)輸出級對于CODEC中其他敏感的低噪聲模擬電路的干擾減至最低。
該立體聲放大器可直接工作于未經(jīng)過電壓調(diào)整的單節(jié)鋰離子電池，當工作于4.2V電源時可向8Ω揚聲器輸出1W功率(圖3)。如果使用更低阻抗的揚聲器，還可以輸出更高功率，不過在蜂窩電話常用的小口徑揚聲器中很難找到4Ω的。
圖3. MAX9851中的立體聲D類揚聲器放大器可直接工作于電池電壓，4.2V電源下可提供1W連續(xù)輸出(于10% THD+N，1kHz信號)。
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圖4. GSM語音模式下的S1輸出支持基本的GSM語音轉(zhuǎn)換功能。它可工作在主或從模式下，從模式要求主機提供BCLK和LRCLK時鐘。
許多中高檔電話一般還要求提供位數(shù)和采樣率更高的DAC功能。例如用它來播放WMA/MP3音樂或產(chǎn)生WAV文件的鈴音。將用于此功能的數(shù)模轉(zhuǎn)換與用于語音的轉(zhuǎn)換器整合在一起有利于提高集成度，并且使所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換任務(wù)集中到一個“點源”中。這樣的整合在產(chǎn)品設(shè)計中非常有用，如果試圖在模擬域中綜合兩種功能，勢必會遇到地環(huán)路和音頻電平差異等問題。
因此，用一個轉(zhuǎn)換器整合語音和多媒體數(shù)據(jù)看起來是一個理想方案。這種方法的主要困難在于，所有語音轉(zhuǎn)換必須保持同步至GSM/GPRS速率(受控于MCLK輸入)。而對于多媒體播放，通常要求不相關(guān)的采樣率：例如44.1kHz或48kHz。MAX9851采用一種類似于采樣率轉(zhuǎn)換(SRC)的算法對數(shù)字輸入數(shù)據(jù)進行處理，解決了這個問題，因而可以利用單個DAC以同步方式對語音和多媒體組合數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。
從模式下，輸入GSM語音數(shù)據(jù)的采樣率必須保持準確(受控于MCLK)。而內(nèi)部數(shù)字PLL鎖定于S2數(shù)字接口的LRCLK輸入，以便準確地(多個采樣的平均)回放非同步多媒體音頻數(shù)據(jù)。在主模式下，語音數(shù)據(jù)仍然準確地對準于所需要的MCLK整數(shù)分頻，但S2 LRCLK數(shù)據(jù)速率只是近似值，有輕微的fS誤差，通常不會有顯著影響。S1或S2輸入均可支持8kHz至48kHz的采樣率。
MAX9851的S2數(shù)字輸入/輸出接口支持I2S和其他一些流行的小的變型。當不工作于GSM語音模式時，S1接口也可被編程為支持I2S，提供最大程度的接口靈活性，滿足多功能高端電話的需求。
圖5. MAX9851集成了兩組獨立的數(shù)字音頻輸入/輸出接口(S1和S2)。對于DAC回放，各接口可以運行在不同的、非整數(shù)相關(guān)的采樣率下，既可以用于主模式，也可以為從模式。
圖6. GSM回放通道使能GSM濾波器后的頻率響應。在fS = 8kHz時，注意恰好在奈奎斯特頻率(4kHz)之前的陡峭滾降。也可選擇禁止高通濾波器(HPF)工作。
低噪聲模擬電路以不同的采樣速率與多種回放/記錄系統(tǒng)接口，對于這部分電路的控制僅是總體設(shè)計任務(wù)的一部分。在一個方案中整合以下特性也很重要：
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概述
蜂窩電話電路的復雜度和高密度給系統(tǒng)設(shè)計者帶來了挑戰(zhàn)，要想建立一條高品質(zhì)、滿足供應商規(guī)范的音頻記錄/回放通道將是一項困難重重的任務(wù)。新型號中增加的多媒體功能，例如照相機、鈴音發(fā)生器、MP3播放器和語音備忘錄等，通常要求更大程度的產(chǎn)品變化。這不僅僅只是增加一些新的元件，印制板布局也要做大的修改，這會造成不良接地以及由此而引起新的噪聲問題。蜂窩電話中模擬音頻通道上的噪聲和干擾通常歸因于射頻到音頻頻段的解調(diào)或共用/不良接地。
接收到來自于電話天線的高能量射頻信號時，電話中帶寬相對較低的音頻電路會錯誤地解調(diào)射頻發(fā)射信號。這會惡化音頻通道的噪聲背景。可以在音頻放大器電路中采取一定技術(shù)和結(jié)構(gòu)將這種惡化效應減至最小，緊鄰輸入引腳放置抑制元件就是一種廉價的補救措施。經(jīng)常使用低值接地電容，因為設(shè)計者通常是按照射頻載波頻率選擇最低的電容器阻抗。
將所有通常會用到的模擬音頻輸入/輸出功能整合到單個IC中是一種非常有效的方案，它可將共用/不良接地帶來的影響減至最小。這實際上就是將問題最多、最麻煩的接地問題由印制板布局工程師轉(zhuǎn)移給了IC制造商。除了包含必要的模擬音頻輸入/輸出功能外，這種IC內(nèi)同時還必須提供足夠支持語音頻段和任何多媒體功能(例如應用處理器)的數(shù)字音頻接口。該IC還應提供對于不同單元的分區(qū)關(guān)斷控制，以最大化電池壽命。
下面著重討論在單芯片方案中出現(xiàn)的一些模擬/數(shù)字音頻問題。我們以MAX9851—這種簡化GSM/GPRS蜂窩電話設(shè)計的技術(shù)方案為樣板展開討論。
模擬音頻—降低麥克風噪聲
高增益音頻電路，例如麥克風放大器(麥克放大器)，受不良接地的影響最大。單端電路結(jié)構(gòu)尤其如此，在這種電路中，麥克放大器參考地和信號源參考地(本例中為麥克的GND引腳)之間很小的電壓差都會被放大進入信號通道。在類似于蜂窩電話這樣的復雜產(chǎn)品中，音頻部分的地平面往往是和其他電路共用的，由于銅接地面不是“零歐姆” (我們常常如此認為)，這會帶來性能惡化問題。因此，如有任何電流流過這個有限的電阻，都會在地平面上產(chǎn)生一個小的電位差。接地問題可以利用一個全差分輸入的麥克放大器解決。這種方法已被MAX9851采用，實際就是利用差分輸入對麥克的GND引腳進行遠端感應。采用遠端感應后，CODEC參照端和麥克GND之間的交流電壓差對于麥克放大器呈現(xiàn)為共模信號。這個電壓差被放大器的共模抑制比衰減，因而顯著降低了它對于信號通道的等效噪聲貢獻。這種設(shè)計的唯一代價是需要在麥克和CODEC之間多布一條印制板線條，以及增加一個耦合電容。
MAX9851也可切換到一個外部的立體聲麥克輸入來取代內(nèi)部麥克。這種輸入通常來自于汽車免提或其他外部耳機。這種情況下，EXTMICGND引腳“Kelvin感應 ” L和R兩個通道，利用放大器的輸入CMRR可以消除地噪聲，原理同上所述。EXTMICGND的印制板布線應該一直延伸到汽車免提插座或耳機插孔的GND端，以獲得最佳效果(圖1)。
圖1. 利用差分放大器可以遠端感應插座的參照“地”。內(nèi)部地和插座地之間的任何交流電壓被大幅度抑制，不被麥克放大器增益放大。
麥克偏置電路也會給信號通道引入顯著的噪聲。大部分偏置電壓噪聲會直接呈現(xiàn)在麥克放大器的輸入端。更加合理的麥克放大器設(shè)計，正如MAX9851中所集成的那樣，應該提供一個經(jīng)過調(diào)整的、輸出噪聲水平和麥克放大器輸入噪聲水平相匹配的低噪聲偏置電壓。
模擬音頻—立體聲DirectDrive?耳機和受話器輸出
要想以接近于CD的音質(zhì)播放壓縮的音樂文件就需要高質(zhì)量的耳機音頻回放電路。信噪比(SNR)、線性和帶寬都要比基本的300Hz至4kHz語音通道大幅度提高。低頻擴展可能會有問題，因為耳機驅(qū)動器通常都要串聯(lián)電容來阻止耳機放大器的直流偏壓被進入耳機。常見的立體聲耳機典型阻抗可低至16Ω，它和串聯(lián)電容構(gòu)成高通濾波器，對于低頻成分有衰減作用。要想擴展低頻響應，例如向下到100Hz，對于16Ω立體聲耳機就需采用兩個100μF隔直電容。利用Maxim的DirectDrive技術(shù)可以去掉這兩個串聯(lián)電容，因為放大器的輸出參照于0V。這種情況下的低頻分量則受限于去直流濾波器(數(shù)字源，正如MAX9851中所設(shè)計的)，或者受限于線路或麥克等模擬源輸入上的輸入耦合電容。DirectDrive設(shè)計的另一個優(yōu)點是，當其離開或進入關(guān)斷模式時，從根本上消除了產(chǎn)生咔嗒/噼噗聲的原因。因為沒有串聯(lián)電容，也就無需對電容充電或放電，開/關(guān)過程中沒有凈電流流過耳機。
MAX9851的立體聲耳機輸出也可工作在橋式單聲道方式(圖2)，以便兼容不同的耳機和配件。同一個插座既可用于立體聲耳機，或者也可用于單聲道頭機(麥克加開關(guān)和揚聲器)。這種模式下輸出仍然參照于地，耳機電纜上沒有直流電壓。因此，出現(xiàn)短路故障的機會要小的多。
圖2. DirectDrive耳機輸出可工作于橋式單聲道方式或立體聲方式。Maxim專有的參照于地的輸出意味著不再需要串聯(lián)耦合電容，節(jié)省成本和PCB空間。
受話器輸出也使用Direct Drive設(shè)計中的電荷泵來供電，這樣輸出仍然是單端的，允許揚聲器負端連接到GND (0V)。輸出仍然具有和更為典型的BTL (差分)輸出幾乎相同的電壓擺幅，因為反相電荷泵提供了一個絕對值幾乎等于外加AVDD的負電源軌。最終輸出到受話器揚聲器兩端的峰到峰輸出幾乎可以達到2 x AVDD。
模擬音頻—D類揚聲器放大器
MAX9851整合了Maxim的第三代D類技術(shù)來驅(qū)動8Ω (或4Ω)揚聲器。D類(開關(guān)型)放大器相對于AB類(線性)放大器的優(yōu)勢主要在效率。AB類放大器會在輸出元件中耗散大量功率，除非放大器被驅(qū)動到削波狀態(tài)。然而，由于D類放大器的輸出元件工作在開關(guān)狀態(tài)，其熱耗要小的多，因此可以延長電池壽命。如果蜂窩電話被頻繁用在揚聲器模式，或支持按下即通話(push-to-talk：PTT)工作方式，延長的電池壽命會非常顯著。然而，在使用D類結(jié)構(gòu)時需要特別謹慎，尤其是當用在核心功能為射頻收/發(fā)的產(chǎn)品中時，例如蜂窩電話。高效率D類放大器工作中產(chǎn)生的快速切換沿會帶來射頻輻射問題，特別是當PCB布線和揚聲器引線較長時問題會更嚴重。為應對射頻輻射問題，MAX9851中的立體聲D類揚聲器放大器采用了公司專有的EMI抑制技術(shù)(主動限制輻射)，以輕微的效率降低為代價，大幅度抑制了揚聲器引線/布線上的射頻輻射。精湛的IC構(gòu)造技術(shù)使D類開關(guān)輸出級對于CODEC中其他敏感的低噪聲模擬電路的干擾減至最低。
該立體聲放大器可直接工作于未經(jīng)過電壓調(diào)整的單節(jié)鋰離子電池，當工作于4.2V電源時可向8Ω揚聲器輸出1W功率(圖3)。如果使用更低阻抗的揚聲器，還可以輸出更高功率，不過在蜂窩電話常用的小口徑揚聲器中很難找到4Ω的。
圖3. MAX9851中的立體聲D類揚聲器放大器可直接工作于電池電壓，4.2V電源下可提供1W連續(xù)輸出(于10% THD+N，1kHz信號)。
數(shù)字音頻—通用架構(gòu)，信號流
為實現(xiàn)通話—這個GSM/GPRS蜂窩電話的基礎(chǔ)功能，要求系統(tǒng)提供一條8kHz (或16kHz)采樣率的ADC/DAC通道，兩個方向都具有16位深度。在MAX9851中，該輸入/輸出通道完全同步于13MHz (或26MHz，對應于fS = 16kHz)的MCLK輸入，以確保沒有丟失或重復的采樣。S1數(shù)字輸入/輸出接口能夠工作于GSM語音模式(圖4)，可為這項基礎(chǔ)功能提供接口。S1數(shù)字接口可工作于主或從模式。查看大圖
圖4. GSM語音模式下的S1輸出支持基本的GSM語音轉(zhuǎn)換功能。它可工作在主或從模式下，從模式要求主機提供BCLK和LRCLK時鐘。
許多中高檔電話一般還要求提供位數(shù)和采樣率更高的DAC功能。例如用它來播放WMA/MP3音樂或產(chǎn)生WAV文件的鈴音。將用于此功能的數(shù)模轉(zhuǎn)換與用于語音的轉(zhuǎn)換器整合在一起有利于提高集成度，并且使所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換任務(wù)集中到一個“點源”中。這樣的整合在產(chǎn)品設(shè)計中非常有用，如果試圖在模擬域中綜合兩種功能，勢必會遇到地環(huán)路和音頻電平差異等問題。
因此，用一個轉(zhuǎn)換器整合語音和多媒體數(shù)據(jù)看起來是一個理想方案。這種方法的主要困難在于，所有語音轉(zhuǎn)換必須保持同步至GSM/GPRS速率(受控于MCLK輸入)。而對于多媒體播放，通常要求不相關(guān)的采樣率：例如44.1kHz或48kHz。MAX9851采用一種類似于采樣率轉(zhuǎn)換(SRC)的算法對數(shù)字輸入數(shù)據(jù)進行處理，解決了這個問題，因而可以利用單個DAC以同步方式對語音和多媒體組合數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。
從模式下，輸入GSM語音數(shù)據(jù)的采樣率必須保持準確(受控于MCLK)。而內(nèi)部數(shù)字PLL鎖定于S2數(shù)字接口的LRCLK輸入，以便準確地(多個采樣的平均)回放非同步多媒體音頻數(shù)據(jù)。在主模式下，語音數(shù)據(jù)仍然準確地對準于所需要的MCLK整數(shù)分頻，但S2 LRCLK數(shù)據(jù)速率只是近似值，有輕微的fS誤差，通常不會有顯著影響。S1或S2輸入均可支持8kHz至48kHz的采樣率。
MAX9851的S2數(shù)字輸入/輸出接口支持I2S和其他一些流行的小的變型。當不工作于GSM語音模式時，S1接口也可被編程為支持I2S，提供最大程度的接口靈活性，滿足多功能高端電話的需求。
數(shù)字音頻—GSM濾波器
正如圖5所示，S1數(shù)字輸入/輸出接口上有一個額外的濾波器，在GSM語音模式下可以被使能。這些數(shù)字單元是嚴格規(guī)范的低通和高通濾波器的一個高效率實現(xiàn)。它們對接近Nyquist頻率和低頻段的能量加以抑制。該濾波器經(jīng)證實有利于滿足噪聲和信號泄漏規(guī)范，使電話更易于通過測試和認證。圖6給出了濾波器的頻率響應。圖5. MAX9851集成了兩組獨立的數(shù)字音頻輸入/輸出接口(S1和S2)。對于DAC回放，各接口可以運行在不同的、非整數(shù)相關(guān)的采樣率下，既可以用于主模式，也可以為從模式。
圖6. GSM回放通道使能GSM濾波器后的頻率響應。在fS = 8kHz時，注意恰好在奈奎斯特頻率(4kHz)之前的陡峭滾降。也可選擇禁止高通濾波器(HPF)工作。
結(jié)語
上述實例只是強調(diào)了蜂窩電話系統(tǒng)設(shè)計師/架構(gòu)師必須解決的少數(shù)幾個問題。這種終端應用的設(shè)計周期越來越短，性能的整合也在不斷地完善和變化，幾乎每個型號都有所不同。因此，投入一定的時間，選擇一個具有良好工程規(guī)劃、應用靈活、功能全面的核心芯片組，應該是很有意義的。低噪聲模擬電路以不同的采樣速率與多種回放/記錄系統(tǒng)接口，對于這部分電路的控制僅是總體設(shè)計任務(wù)的一部分。在一個方案中整合以下特性也很重要：
- 模擬功能和高性能
- 單點式數(shù)字/模擬音頻接口
- 靈活的數(shù)字接口
- 全面的功率管理和分區(qū)關(guān)斷
工商網(wǎng)監(jiān)
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