利用低功耗比較器自動(dòng)檢測(cè)插入附件，控制系統(tǒng)的整體功耗

便攜式電子設(shè)備大多采用3芯或4芯插孔，它可以作為立體聲耳機(jī)插孔，帶麥克風(fēng)輸入和壓簧開關(guān)的單聲道耳機(jī)插孔，也可以作為帶有麥克風(fēng)/壓簧開關(guān)組合的立體聲耳機(jī)插孔。利用MAX9060系列超小尺寸、微功耗比較器，通過不同的配置方式對(duì)外部附件進(jìn)行檢測(cè)，不僅把功耗控制在可以忽略的等級(jí)，還為產(chǎn)品提供了一種小巧、簡(jiǎn)單、具有極高性價(jià)比的檢測(cè)方案。
 

目前，絕大多數(shù)電子設(shè)備(手機(jī)、PDA、筆記本電腦、手持式媒體播放器、游戲機(jī)等產(chǎn)品)通常需要連接外部附件。因此，這些設(shè)備需要專用的邏輯電路，用于自動(dòng)檢測(cè)附件的連接并識(shí)別其類型，從而使內(nèi)部控制電路進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

增加電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)/選擇功能會(huì)提高系統(tǒng)功耗，這就帶來(lái)了問題。作為設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該盡可能降低功耗，確保系統(tǒng)以最小的空間滿足“綠色”環(huán)保的設(shè)計(jì)目標(biāo)。為達(dá)到這一目的，超小尺寸、微功耗比較器，例如MAX9060系列，成為當(dāng)前市場(chǎng)的最佳選擇。這些比較器是幫助設(shè)計(jì)人員控制功耗的關(guān)鍵所在。

 

硬件電路檢測(cè)插孔的連接

我們首先簡(jiǎn)單回顧自動(dòng)檢測(cè)插孔的基本原理。

以典型的耳機(jī)插孔電路(圖1)為例。如圖所示，在檢測(cè)引腳連接一個(gè)上拉電阻，這樣即可產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，表示耳機(jī)或其它外部裝置是否插入插孔。典型連接中，如果有某個(gè)外部裝置插入，檢測(cè)引腳將斷開。

沒有附件插入插孔時(shí)，輸出信號(hào)被拉高；有附件插入插孔時(shí)，信號(hào)被拉低。該檢測(cè)信號(hào)連接到一個(gè)微控制器端口，它能夠在揚(yáng)聲器(無(wú)耳機(jī)時(shí))和耳機(jī)揚(yáng)聲器(有耳機(jī)時(shí))之間自動(dòng)切換音頻信號(hào)。

在微控制器輸入之前，可以通過一個(gè)簡(jiǎn)單的晶體管對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行緩沖。該晶體管還可提供必要的電平轉(zhuǎn)換，以便與控制器連接。在手機(jī)、PDA等空間受限應(yīng)用中，需要選擇封裝尺寸不大于幾個(gè)毫米的晶體管。也可以利用低成本、低功耗的超小尺寸比較器提供緩沖和電平轉(zhuǎn)換功能。例如MAX9060系列，采用1mm × 1mm晶片級(jí)封裝，僅消耗1µA電流。


圖1. 插孔自動(dòng)檢測(cè)電路

 

耳機(jī)檢測(cè)

圖1所示的音頻插孔設(shè)計(jì)用于處理常見的3芯音頻插頭。該插頭連接到立體聲耳機(jī)或帶有麥克風(fēng)的單聲道耳機(jī)。利用下述電路，可以輕松地區(qū)分出立體聲和單聲道+麥克風(fēng)耳機(jī)。電路設(shè)計(jì)依據(jù)為：耳機(jī)電阻很低(通常為8Ω、16Ω或32Ω)，而麥克風(fēng)電阻很高(600Ω至10kΩ)。

這里簡(jiǎn)單介紹一下常見音頻插孔和駐極體麥克風(fēng)，有助于理解這些電路。在一個(gè)3芯音頻插孔(圖2)中，“插頭”前端在立體聲耳機(jī)承載左聲道音頻信號(hào)，在帶麥克風(fēng)的單聲道耳機(jī)中承載麥克風(fēng)信號(hào)。對(duì)于立體聲耳機(jī)，“金屬環(huán)”位置連接右聲道信號(hào)，“套筒”接地；對(duì)于帶麥克風(fēng)的單聲道耳機(jī)，“金屬環(huán)”連接單聲道麥克風(fēng)的輸入音頻通道，“套筒”接地。


圖2. 三芯音頻插孔

 

駐極體麥克風(fēng)

典型的駐極體麥克風(fēng)(圖3)有一個(gè)電容元件，其電容隨機(jī)械振動(dòng)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生與聲波成比例的變化電壓。駐極體麥克風(fēng)始終具有內(nèi)部靜態(tài)電荷，無(wú)需外部電源。不過，仍然需要幾個(gè)伏特的電壓來(lái)為內(nèi)部前置放大器FET供電。


圖3. 駐極體麥克風(fēng)的電氣模型

駐極體麥克風(fēng)可以看作一個(gè)電流源，消耗固定電流。具有非常高的輸出阻抗，高阻通過FET前置放大器轉(zhuǎn)換成所要求的低阻，連接到后續(xù)放大器。駐極體麥克風(fēng)因其低成本、小尺寸和良好的靈敏度，成為各種應(yīng)用(例如免提電話耳麥、筆記本聲卡)的最佳選擇。

麥克風(fēng)通過一個(gè)電阻(通常為1kΩ至10kΩ)和電源電壓進(jìn)行偏置，提供所需的固定偏置電流。偏置電流范圍為：100µA至800µA左右，具體取決于特定的麥克風(fēng)及其制造商。偏置電阻根據(jù)所連接的電源電壓、偏置電流和靈敏度要求進(jìn)行選擇。因此，偏置電壓會(huì)因器件的不同以及工作條件的不同而變化。例如，在3V電源下，吸收100µA電流的2.2kΩ負(fù)載電阻，將產(chǎn)生2.78V的偏置電壓。同樣的電阻如果吸收800µA電流，則將產(chǎn)生1.24V的偏置電壓。

按照圖4檢測(cè)電路所連接的耳機(jī)類型。圖中，2.2kΩ的電阻R_MIC-BIAS連接到音頻控制器提供的低噪聲基準(zhǔn)電壓(V_MIC-REF)。當(dāng)音頻插孔被插入附件時(shí)，V_MIC-REF電壓通過R_MIC-BIAS作用到插頭-地之間的等效電阻(圖中未標(biāo)出)上，從而在MAX9063的同相輸入端產(chǎn)生電壓V_DETECT。對(duì)于立體聲耳機(jī)，該電阻很小(8Ω、16Ω或32Ω)；對(duì)于麥克風(fēng)，電流源吸收的固定電流因麥克風(fēng)類型的不同會(huì)在100µA至大約800µA間浮動(dòng)，因而電阻值較大。由于V_DETECT隨著插入插孔的耳機(jī)類型而變化，所以能夠通過一個(gè)比較器監(jiān)測(cè)V_DETECT，判斷出耳機(jī)類型。


圖4. 用于耳機(jī)檢測(cè)的比較器電路

如圖所示，假設(shè)微控制器的基準(zhǔn)電壓(V_MIC-REF)為3V，32Ω耳機(jī)負(fù)載將產(chǎn)生43mV的V_DETECT電壓。而500µA固定電流的麥克風(fēng)負(fù)載將產(chǎn)生1.9V的電壓。注意，大多數(shù)應(yīng)用中，直接連接V_DETECT會(huì)出現(xiàn)問題。假設(shè)典型的微控制器端口的CMOS輸入要求邏輯電平高于0.7 × V_CC和低于0.3 × V_CC，那么采用3.3V供電的微控制器的輸入邏輯電平應(yīng)該高于2.3V、低于1V。

500µA麥克風(fēng)負(fù)載產(chǎn)生的1.9V電平不是有效的邏輯“1”電平。100µA至800µA的麥克風(fēng)偏置電流將產(chǎn)生2.78V至1.24V的V_DETECT，任何低于2.3V的電壓都不滿足控制器的V_IH (輸入高電平，假設(shè)R_BIAS為2.2kΩ)要求。為了得到2.3V或更高的電壓，麥克風(fēng)偏置電流必須為318µA或更小。否則就必須改變2.2kΩ偏置電阻，從而改變麥克風(fēng)的檢測(cè)門限。由于具有32Ω典型負(fù)載的耳機(jī)能夠輕松地將電平拉至地電位附近，所以產(chǎn)生1V甚至更低的邏輯低電平很容易實(shí)現(xiàn)。

為了檢測(cè)耳機(jī)類型，需要將V_DETECT連接到比較器的一個(gè)輸入端，將基準(zhǔn)電壓連接到另一個(gè)輸入。比較器輸出即代表了耳機(jī)類型。

這種便攜式耳機(jī)檢測(cè)應(yīng)用的比較器應(yīng)具有小尺寸，并且消耗很低的功率。圖4所示比較器尺寸只有1mm × 1mm，最大電源電流損耗僅為1µA。它對(duì)手機(jī)頻率具有很強(qiáng)的抗干擾能力，提供極高的可靠性。比較器還具有內(nèi)部滯回和低輸入偏置電流等特性。這些特性使其成為對(duì)空間、功耗極為敏感的電池供電產(chǎn)品(例如：手機(jī)、便攜式媒體播放器和筆記本電腦)中耳機(jī)檢測(cè)電路的理想選擇。

 

壓簧開關(guān)檢測(cè)

大多數(shù)免提耳機(jī)都有一個(gè)開關(guān)，通常稱為壓簧開關(guān)，該開關(guān)用來(lái)接聽、掛斷電話，具有靜音/保持功能，并且在接聽另一個(gè)電話時(shí)保持當(dāng)前通話?？刂贫鷻C(jī)的微控制器需要檢測(cè)壓簧開關(guān)的狀態(tài)以及耳機(jī)的連接狀態(tài)，自動(dòng)檢測(cè)插孔是否插入附件(這里指耳機(jī)) (圖1)。同時(shí)還產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，用于表示壓簧開關(guān)的狀態(tài)。壓簧開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)電路包括一個(gè)4芯立體聲耳機(jī)(帶麥克風(fēng))和并聯(lián)的壓簧開關(guān)(圖5) (單聲道耳麥與其類似，但為3芯)。兩種不同類型的耳機(jī)中，插頭連接到與壓簧開關(guān)并聯(lián)的麥克風(fēng)上，如圖所示，壓簧開關(guān)按下時(shí)呈現(xiàn)為低阻，釋放時(shí)麥克風(fēng)呈現(xiàn)為高阻。如上述耳麥檢測(cè)中介紹的內(nèi)容，對(duì)于麥克風(fēng)/壓簧開關(guān)檢測(cè)，麥克風(fēng)檢測(cè)電壓與微控制器的CMOS輸入之間的接口電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。


圖5. 采用MAX9063比較器的壓簧開關(guān)檢測(cè)電路

當(dāng)壓簧開關(guān)按下時(shí)，電壓V_DETECT (圖5)下拉至地電位附近，微控制器判斷為邏輯“0”；當(dāng)壓簧開關(guān)釋放時(shí)，V_DETECT可能超出CMOS輸入的V_IH電壓規(guī)格。根據(jù)R_MIC-BIAS (本例中為2.2kΩ)和耳機(jī)中麥克風(fēng)類型的不同，V_DETECT會(huì)在1.24V至2.78V之間變化。

所以，對(duì)于不同類型的微控制器，壓簧開關(guān)無(wú)法直接與控制器連接。因此，圖5采用了低功耗比較器。根據(jù)實(shí)際檢測(cè)的麥克風(fēng)類型設(shè)置基準(zhǔn)電壓，指示壓簧開關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)壓簧開關(guān)按下時(shí)，比較器輸出拉至高電平；釋放開關(guān)時(shí)，拉至低電平。MAX9060系列比較器同樣可以提供低功耗設(shè)計(jì)，用于壓簧開關(guān)檢測(cè)。

圖6所示示波器截屏圖是按下單聲道耳機(jī)的壓簧開關(guān)時(shí)獲得的。設(shè)置與圖5電路完全相同，只是采用了一個(gè)用于手機(jī)的2.5mm通用耳機(jī)進(jìn)行測(cè)試。耳機(jī)插頭帶一個(gè)駐極體麥克風(fēng)(帶壓簧開關(guān))，32Ω揚(yáng)聲器連接到“金屬環(huán)”處。采用3V電源供電，通過2.2kΩ電阻提供偏置時(shí)，麥克風(fēng)吸收212µA的固定偏置電流。


圖6. 這些波形由帶壓簧開關(guān)的駐極體麥克風(fēng)產(chǎn)生，受單聲道耳機(jī)及其內(nèi)部電路控制。當(dāng)單聲道耳機(jī)的壓簧開關(guān)按下時(shí)，比較器檢測(cè)到麥克風(fēng)短路，從而將輸出上拉到邏輯高電平。

檢測(cè)到的V_DETECT直流電壓為2.52V (圖6)，MAX9063輸出為低電平狀態(tài)。按下壓簧開關(guān)即將V_DETECT接地，比較器輸出通過一個(gè)外部10kΩ上拉電阻拉至高電平。由此可見，1mm × 1mm CSP封裝的MAX9063比較器非常適合檢測(cè)壓簧開關(guān)和附件。MAX9028系列比較器同樣適合此類應(yīng)用。

 

結(jié)論

在便攜應(yīng)用中常常需要檢測(cè)插孔、耳機(jī)和壓簧開關(guān)。MAX9063、MAX9028系列專用比較器非常適合這類應(yīng)用，這些器件所占用的空間非常小，所消耗的功率可以忽略不計(jì)。這些比較器為便攜應(yīng)用中的附件檢測(cè)提供了一種經(jīng)濟(jì)的解決方案。