概 述

??? 蜂窩電話電路的復(fù)雜度和高密度給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者帶來(lái)了挑戰(zhàn)。建立一條高品質(zhì)、滿足供應(yīng)商規(guī)范的音頻記錄/回放通道將是一項(xiàng)困難的工作。新型號(hào)蜂窩電話中增加的多媒體功能，如照相機(jī)、鈴音發(fā)生器、MP3播放器和語(yǔ)音備忘錄等，通常要求更大程度的產(chǎn)品變化。這不僅僅要增加一些新的元件，而且印制板布局要做大的修改，這會(huì)造成不良接地" title="不良接地">不良接地并由此而引起新的噪聲問(wèn)題。
??? 蜂窩電話中模擬音頻" title="模擬音頻">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(lái)自于電話天線的高能量射頻信號(hào)時(shí)，電話中帶寬相對(duì)較低的音頻電路會(huì)錯(cuò)誤地解調(diào)射頻發(fā)射信號(hào)，這會(huì)惡化音頻通道的噪聲背景。在音頻放大器電路中采取一定技術(shù)和結(jié)構(gòu)，可以將這種惡化效應(yīng)減至最小，緊鄰輸入引腳放置抑制元件就是一種廉價(jià)的補(bǔ)救措施。經(jīng)常使用的是低值接地電容，因?yàn)樵O(shè)計(jì)者通常按照射頻載波頻率選擇最低的電容器阻抗。
??? 將所有通常會(huì)用到的模擬音頻輸入/輸出功能整合到單個(gè)IC中是一種非常有效的方案，它可將共用/不良接地帶來(lái)的影響減至最小。這實(shí)際上就是將問(wèn)題最多、最麻煩的接地問(wèn)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還必須提供足夠支持語(yǔ)音頻段和任何多媒體功能（例如應(yīng)用處理器）的數(shù)字音頻接口。該IC還應(yīng)提供對(duì)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(wèn)題。以MAX9851這種簡(jiǎn)化GSM/GPRS蜂窩電話設(shè)計(jì)的技術(shù)方案為樣板展開(kāi)討論。

模擬音頻——降低麥克風(fēng)噪聲

??? 高增益音頻電路(例如麥克放大器)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(hào)源參考地(本例中為麥克的GND引腳)之間很小的電壓差都會(huì)被放大進(jìn)入信號(hào)通道。在類似于蜂窩電話這樣的復(fù)雜產(chǎn)品中，音頻部分的地平面往往是和其他電路共用，由于銅接地面不是0Ω（常如此認(rèn)為），這會(huì)使性能惡化。因此，如有任何電流流過(guò)這個(gè)有限的電阻，都會(huì)在地平面上產(chǎn)生一個(gè)小的電位差。
??? 接地問(wèn)題可以利用一個(gè)全差分輸入的麥克放大器解決。這種方法已被MAX9851采用，實(shí)際就是利用差分輸入對(duì)麥克的GND引腳進(jìn)行遠(yuǎn)端感應(yīng)。采用遠(yuǎn)端感應(yīng)后，CODEC參照端和麥克GND之間的交流電壓差對(duì)于麥克放大器呈現(xiàn)為共模信號(hào)。這個(gè)電壓差被放大器的共模抑制比衰減，因而顯著降低了它對(duì)于信號(hào)通道的等效噪聲貢獻(xiàn)。這種設(shè)計(jì)需要在麥克和CODEC之間多布一條印制板線條，以及增加一個(gè)耦合電容。
??? MAX9851也可切換到一個(gè)外部的立體聲麥克輸入來(lái)取代內(nèi)部麥克。這種輸入通常來(lái)自于汽車免提或其他外部耳機(jī)。這種情況下，EXTMICGND引腳“Kelvin感應(yīng)”L和R兩個(gè)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(yīng)該一直延伸到汽車免提插座或耳機(jī)插孔的GND端，以獲得最佳效果，如圖1所示。利用差分放大器可以遠(yuǎn)端感應(yīng)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。

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??? 麥克偏置電路也會(huì)給信號(hào)通道引入顯著的噪聲。大部分偏置電壓噪聲會(huì)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(jì)，正如MAX9851中所集成的那樣，應(yīng)該提供一個(gè)經(jīng)過(guò)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(jī)和受話器輸出

??? 要想以接近于CD的音質(zhì)播放壓縮的音樂(lè)文件，就需要高質(zhì)量的耳機(jī)音頻回放電路。信噪比（SNR）、線性和帶寬都要比基本的300Hz～4kHz語(yǔ)音通道大幅度提高。低頻擴(kuò)展可能會(huì)有問(wèn)題，因?yàn)槎鷻C(jī)驅(qū)動(dòng)器通常都要串聯(lián)電容來(lái)阻止耳機(jī)放大器的直流偏壓進(jìn)入耳機(jī)。常見(jiàn)的立體聲耳機(jī)典型阻抗可低至16Ω，它和串聯(lián)電容構(gòu)成高通濾波器，對(duì)于低頻成分有衰減作用。要想擴(kuò)展低頻響應(yīng)，例如向下到100Hz，對(duì)于16Ω立體聲耳機(jī)就需采用兩個(gè)100?滋F隔直電容。
??? 利用Maxim的DirectDrive技術(shù)可以去掉這兩個(gè)串聯(lián)電容，因?yàn)榉糯笃鞯妮敵鰠⒄沼?V。這種情況下的低頻分量則受限于去直流濾波器(數(shù)字源，如MAX9851中所設(shè)計(jì)的)，或者受限于線路、麥克等模擬源輸入上的輸入耦合電容。DirectDrive設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)其離開(kāi)或進(jìn)入關(guān)斷模式時(shí)，從根本上消除了產(chǎn)生噪聲的原因。因?yàn)闆](méi)有串聯(lián)電容，也就無(wú)需對(duì)電容充電或放電，開(kāi)/關(guān)過(guò)程中沒(méi)有凈電流流過(guò)耳機(jī)。
??? MAX9851的立體聲耳機(jī)輸出也可工作在橋式單聲道方式(如圖2)，以便兼容不同的耳機(jī)和配件。同一個(gè)插座既可用于立體聲耳機(jī)，也可用于單聲道頭機(jī)(麥克加開(kāi)關(guān)和揚(yáng)聲器)。這種模式下輸出仍然參照于地，耳機(jī)電纜上沒(méi)有直流電壓，因此，出現(xiàn)短路故障的機(jī)會(huì)要小的多。

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??? 受話器輸出也使用Direct Drive設(shè)計(jì)中的電荷泵供電，這樣輸出仍然是單端的，允許揚(yáng)聲器負(fù)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?yàn)榉聪嚯姾杀锰峁┝艘粋€(gè)絕對(duì)值幾乎等于外加AVDD的負(fù)電源軌。最終輸出到受話器揚(yáng)聲器兩端的峰到峰輸出幾乎可以達(dá)到2×AVDD。

模擬音頻——D類揚(yáng)聲器放大器

??? MAX9851整合了Maxim的第三代D類(開(kāi)關(guān)型)技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)8Ω（或4Ω）揚(yáng)聲器。D類放大器相對(duì)于AB類(線性)放大器的優(yōu)勢(shì)主要在效率。AB類放大器會(huì)在輸出元件中耗散大量功率，除非放大器被驅(qū)動(dòng)到削波狀態(tài)。然而，由于D類放大器的輸出元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其熱耗很小，因此可以延長(zhǎng)電池壽命。如果蜂窩電話被頻繁用在揚(yáng)聲器模式，或支持按下即通話（push-to-talk：PTT）工作方式，則對(duì)延長(zhǎng)電池壽命會(huì)有非常顯著的效果。
??? 然而，在使用D類結(jié)構(gòu)時(shí)需要特別謹(jǐn)慎，尤其是當(dāng)用在核心功能為射頻收/發(fā)的產(chǎn)品中時(shí)(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(huì)帶來(lái)射頻輻射問(wèn)題，特別是當(dāng)印制板布線和揚(yáng)聲器引線較長(zhǎng)時(shí)問(wèn)題會(huì)更嚴(yán)重。為應(yīng)對(duì)射頻輻射問(wèn)題，MAX9851中的立體聲D類揚(yáng)聲器放大器采用了公司專有的EMI抑制技術(shù)(主動(dòng)限制輻射)，以輕微的效率降低為代價(jià)，大幅度抑制了揚(yáng)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(kāi)關(guān)輸出級(jí)對(duì)于CODEC中其他敏感的低噪聲模擬電路的干擾減至最低。
??? MAX9851中的立體聲D類揚(yáng)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(hào)）。該立體聲放大器可直接工作于未經(jīng)過(guò)電壓調(diào)整的單節(jié)鋰離子電池。當(dāng)工作于4.2V電源時(shí)可向8Ω揚(yáng)聲器輸出1W功率（如圖3）。如果使用更低阻抗的揚(yáng)聲器，還可以輸出更高功率，不過(guò)在蜂窩電話常用的小口徑揚(yáng)聲器中很難找到4Ω的。

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數(shù)字音頻——通用架構(gòu)和信號(hào)流

??? 為實(shí)現(xiàn)GSM/GPRS蜂窩電話的基礎(chǔ)功能——通話，要求系統(tǒng)提供一條8kHz(或16kHz)采樣率的ADC/DAC通道，兩個(gè)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(duì)應(yīng)于fs=16kHz）的MCLK輸入，以確保沒(méi)有丟失或重復(fù)的采樣。S1數(shù)字輸入/輸出接口" title="輸出接口">輸出接口能夠工作于GSM語(yǔ)音模式（見(jiàn)圖4），可為這項(xiàng)基礎(chǔ)功能提供接口。S1數(shù)字接口可工作于主或從模式。

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??? 許多中高檔電話一般還要求提供位數(shù)更多和采樣率更高的DAC功能。例如用它來(lái)播放WMA/MP3音樂(lè)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(yǔ)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(gè)“點(diǎn)源”中。這樣的整合在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中非常有用，如果試圖在模擬域中綜合兩種功能，勢(shì)必會(huì)遇到地環(huán)路和音頻電平差異等問(wèn)題。
??? 因此，用一個(gè)轉(zhuǎn)換器整合語(yǔ)音和多媒體數(shù)據(jù)似乎是一個(gè)理想方案。但這種方法的主要困難在于，所有語(yǔ)音轉(zhuǎn)換必須保持同步至GSM/GPRS速率（受控于MCLK輸入）。而對(duì)于多媒體播放，通常要求不相關(guān)的采樣率，如44.1kHz或48kHz，MAX9851采用一種類似于采樣率轉(zhuǎn)換（SRC）的算法對(duì)數(shù)字輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解決了這個(gè)問(wèn)題，因而可以利用單個(gè)DAC以同步方式對(duì)語(yǔ)音和多媒體組合數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
????從模式下，輸入GSM語(yǔ)音數(shù)據(jù)的采樣率必須保持準(zhǔn)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(zhǔn)確地（多個(gè)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(yǔ)音數(shù)據(jù)仍然準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)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，有微小的fs誤差，通常不會(huì)有顯著影響。S1或S2輸入均可支持8kHz～48kHz的采樣率。
??? MAX9851的S2數(shù)字輸入/輸出接口支持I2S和其他一些小的變型。當(dāng)不工作于GSM語(yǔ)音模式時(shí)，S1接口也可被編程為支持I2S，以提供最大程度的接口靈活性，滿足多功能高端電話的需求。GSM語(yǔ)音模式下的S1輸出支持基本的GSM語(yǔ)音轉(zhuǎn)換功能，它可工作在主或從模式下，從模式要求主機(jī)提供BCLK和LRCLK時(shí)鐘。
??? MAX9851集成了兩組獨(dú)立的數(shù)字音頻輸入/輸出接口S1和S2，如圖5所示。對(duì)于DAC回放，各接口可以運(yùn)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，也可用于從模式。

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??? 圖6為GSM回放通道使能GSM濾波器后的頻率響應(yīng)。在fs=8kHz時(shí)，恰好在Nyquist頻率(4kHz)之前的陡峭滾降。也可選擇禁止高通濾波器（HPF）工作。

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數(shù)字音頻——GSM濾波器