GSM手持機音頻子系統(tǒng)設計

1、35 湖南工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文）目錄第1章 緒論11.1 課題的背景與研究內(nèi)容1第2章 音頻的相關知識32.1 主流音頻編碼32.2 單聲道、立體聲與環(huán)繞聲32.3 數(shù)字音頻接口42.4 音頻放大器的分類62.5 輸出低通濾波器的設計82.6 NCP282010第3章 線路噪聲的過濾123.1 噪音來源123.2 電容123.3 鐵氧體磁珠143.4 ESD保護16第4章 音頻子系統(tǒng)電路設計184.1 MT6227音頻接口184.2 音頻子系統(tǒng)電路設計204.2.1 手持式Receiver(聽筒)線路204.2.2 手持式MIC(話筒)線路224.2.3正常模式Speaker(揚聲器)

2、線路224.2.4 耳機模式線路244.3 音量大小控制244.3 Echo回音簡介26第5章 系統(tǒng)測試28第6章 結束語29致謝30參考文獻31附錄A32附錄B34附錄C3535第1章 緒論1.1 課題的背景與研究內(nèi)容現(xiàn)代社會科學技術迅猛發(fā)展，日新月異，通訊行業(yè)的發(fā)展更是驚人，手機的發(fā)展史不只代表著科技的進步，也證明了人類文明的發(fā)展。 從模擬到GSM、從GSM到GPRS等等，每樣新技術的發(fā)明都對手機的發(fā)展起著很大的推動力。 手機的發(fā)展史大致上可分為這幾代： 第一代（1G） ；第二代（2G）； 第三代（3G） 。第一代手機(1G)模擬移動電話在70年代末誕生了。模擬移動電話系統(tǒng)主要采用模擬和頻

3、分多址（FDMA）技術。AMPS(北美蜂窩系統(tǒng))、NMT(北歐移動電話)和TACS(全向通信系統(tǒng))是主要的模擬標準。只能進行語音通信，收訊效果和保密性不足，無線帶寬利用也不充分。第一代無線網(wǎng)絡技術的最大成就是去掉了將電話連接到網(wǎng)絡的用戶線，用戶可以在任何地方無線接收和撥打電話。第二代 (2G) 目前全球使用最廣泛的手機是GSM手機，CDMA手機和小靈通(PHS)手機，這些都稱為第二代手機(2G)。第二代系統(tǒng)引入了數(shù)碼無線電技術，它提供更高的網(wǎng)絡容量，改善了語音質(zhì)量和保密性，還引入了無縫的國際漫游。第二代系統(tǒng)除了可以進行語音通信以外，還可以收發(fā)短信（短消息、SMS）、彩信（MMS、多媒體簡訊）、

4、WAP等。如今全世界第二代手機的市場標注，包括GSM、DAMPS、PDC和IS95CDMA等。第三代 (3G) 第三代移動系統(tǒng)，即IMT2000，是寬帶多媒體系統(tǒng)，能提供高質(zhì)量寬帶綜合業(yè)務。第三代手機的主要目標是開發(fā)全球通用的無線通訊系統(tǒng)，但結果出現(xiàn)了多種不同制式，包括了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。這些新的制式都基于CDMA（碼分多址）技術，在帶寬利用和數(shù)據(jù)通信方面都有進一步發(fā)展。在手機通訊方式發(fā)展的同時，手機音頻系統(tǒng)方面也已經(jīng)成為一部手機設計成功與否的重要標準。手機音頻系統(tǒng)設計目前面對的最大挑戰(zhàn)是如何為模擬及數(shù)字訊號信道提供一個理想的接口。此外，也要盡量減少外置組件的數(shù)目

5、以及縮小電路板的面積，同時還要顧及音響效果 (例如要改善總諧波失真、串音干擾、信號噪聲比等)、散熱能力及功耗，以便延長電池壽命。由于便攜式電子產(chǎn)品必須盡量節(jié)省用電，我們采用無需加設濾波器的高效率D類(Class D)放大器以及內(nèi)建這類音頻放大器的音頻子系統(tǒng)，以滿足對節(jié)電方面的要求。同時為了濾除高頻干擾，開關電源干擾，消除靜電危害等等，我們采用了大量的濾波和靜電防護器件，這樣我們的音質(zhì)才能達到很好的效果?，F(xiàn)代通信技術飛速發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代的頻率也很快，特別是手機行業(yè)，只有跟上潮流的發(fā)展，企業(yè)才能生存下來。采用何種通信技術固然重要，但是手機附帶的一些功能也不容忽視，手機已經(jīng)不再是只用來打電話進行通

6、訊的簡單設備，其他的一些功能比如，聽音樂，上網(wǎng)，游戲等等，也早已是很大的賣點?，F(xiàn)在越來越多的顧客都要求手機有高品質(zhì)的音效，悅耳的鈴聲、動聽的MP3音樂，這些已經(jīng)是必不可少的功能了。這次的音頻子系統(tǒng)的研究也就主要是針對這方面的研究，主要研究內(nèi)容包括如下幾個方面：1）在討論音頻子系統(tǒng)各個部分的前提下，敘述相關的放大器、濾波器等工作原理，分析各種方法的優(yōu)越性，以及我們采用的方法的實際性；同時依據(jù)各個系統(tǒng)的原理，指出各部分元件的具體實現(xiàn)功能及參數(shù)值。2）依據(jù)系統(tǒng)設計目標，分析設計各個模塊的電路系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)模塊給出具體電路，并詳細介紹工作原理。3）針對音頻子系統(tǒng)，進行電路圖的整理，用軟件進行原理圖的

7、繪制，同時對各元件的各種網(wǎng)絡參數(shù)進行設置，為下一步制作PCB板打下堅實基礎。4）用軟件對音頻子系統(tǒng)的電路進行PCB板的布局與布線，導出器件清單。5）拿到公司部門審核，向公司申請手機完整電路板，對電路板中有關音頻方面的線路接口進行引線處理，之后進行有關音頻方面的測試，總結設計中的得與失。第2章 音頻的相關知識2.1 主流音頻編碼 PCM編碼PCM 脈沖編碼調(diào)制是Pulse Code Modulation的縮寫。PCM通過抽樣、量化、編碼三個步驟將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼7。PCM編碼的最大的優(yōu)點就是音質(zhì)好，最大的缺點就是體積大。我們常見的Audio CD就采用了PCM編碼，一張光盤的容量

8、只能容納72分鐘的音樂信息。 A M R 編碼AMR 為自適應多碼率語音傳輸編譯碼器(Adpative Multi-Rate Speech Codec)，最初版是歐洲電信標準化協(xié)會(ETSI)為GMS 系統(tǒng)所制定的語音編譯碼標準，而因頻寬又分為兩種 AMR-NB(AMR Narrowband)和AMRWB(AMR Wideband)。以市場最大品牌Nokia來說，其多數(shù)手機都支持上述兩種格式的音頻文件。 M P 3 編碼MP3 是MPEG AudioLayer3 的縮寫，這是一種音頻壓縮技術，其編碼具有10:1-12:1的高壓縮率，可以保持低頻部分不失真，但犧牲了音頻中12KHz -16KHz

9、的高頻部份來降低文件大小，其“.mp3”格式文件一般只有“.wav”的10%。另外，MP3 受到歡迎的一大原因，是它并非受到版權保護的技術，所以任何人都可以使用。MP3格式壓縮音樂的取樣頻率有很多種，可以用64kbps 或更低的編碼來節(jié)省空間，亦可以用到320kbps 達到極高的壓縮音質(zhì)。MP3在編碼速率上，又分為CBR(固定編碼)，與及“VBR”(可變碼率)技術，有些手機無法播放下載來的音樂，正是因為沒有支持“VBR”格式的MP3 音樂。 A A C 編碼AAC 即高級音頻編碼(Advanced Audio Coding)，它采用的運算方式是與MP3 不同，AAC 可以同時支持多達48 個音

10、軌、15 個低頻音軌、更多種取樣率和傳輸率、具有多種言語的兼容能力，以及更高的解碼效率。總結來說，AAC 可以在比MP3 格式再縮小30% 的條件下提供更好的音質(zhì)，而且聲音保真度好，更接近原音，所以被手機界視為是最佳的音頻編碼格式。2.2 單聲道、立體聲與環(huán)繞聲 單聲道（Mono）：所謂的單聲道，就是聲音只由一只音箱產(chǎn)生，聽眾可以很明顯地聽出聲音的來源就是音箱所擺放的位置，其本身的表現(xiàn)力較為平淡；單聲道是比較原始的聲音復制形式，早期的聲卡采用的比較普遍，當通過兩個揚聲器回放單聲道信息的時候，我們可以明顯感覺到聲音是從兩個音箱正中間傳遞到我們耳朵里的。這種缺乏位置感的錄制方式用現(xiàn)在的眼光看自然是

11、很落后的，但在聲卡剛剛起步時，已經(jīng)是非常先進的技術了。 立體聲（Stereo）：立體聲是利用了兩個獨立聲道進行錄音，整個過程不加任何的聲音處理。立體聲系統(tǒng)的再現(xiàn)需要一對音箱來完成，它通過調(diào)整系統(tǒng)中兩只音箱發(fā)出聲音的大小，讓我們誤認為聲源來自兩只音箱之間直線段中的任意位置。特別是當使用耳機的時候，由于左右兩邊的聲音串音情況很少發(fā)生，所以聲音的定位比較準確；再加上比較真實的音場感覺，它的表現(xiàn)力比單聲道真實得多。單聲道缺乏對聲音位置的定位，而立體聲技術則徹底改變了這一狀況。聲音在錄制的過程中被分配到兩個獨立的聲道，從而達到了很好的聲音定位效果。這種技術在音樂欣賞中顯得尤為有用，聽眾可以清晰地分辨出各

12、種樂器來自的方向，從而使音樂更富有想象力，更加接近于臨場感受。立體聲大量應用，成為了影響深遠的一個音頻標準。時至今日，立體聲是許多產(chǎn)品遵循的技術標準，但立體聲的缺陷也十分明顯，最明顯就是對音箱的位置擺放要求較高，擺放的不好就會影響聲音的表現(xiàn)力。 圖2.1 立體聲及其音場 3D環(huán)繞聲 (3D Surround)有時也稱作3D增強立體聲(3D Enhancement)。它是一種模擬環(huán)繞聲系統(tǒng)。左、右聲道的立體聲信號，經(jīng)過數(shù)字信號處理后，通過左、右兩路音箱，產(chǎn)生三維的環(huán)繞聲場效果。它使用一般雙聲道創(chuàng)建一個具有三維感覺的環(huán)繞聲音場，比立體聲好，但與編碼式環(huán)繞系統(tǒng)有相當?shù)牟罹?。常見的有SRS實驗室的SR

13、S WOW、Q-sound實驗室的Qxpander、Spatializer實驗室的Spatializer3D等技術，主要針對普通雙聲道立體聲信號進行處理，對于杜比環(huán)繞聲信號不作解碼，采用強制處理的方式，顯而易見不可能處理AC-3信號。2.3 數(shù)字音頻接口針對不同的數(shù)字音頻子系統(tǒng)，催生出幾種微處理器或DSP（數(shù)字信號處理器）與音頻器件間用于數(shù)字轉(zhuǎn)換的接口。受系統(tǒng)實際性能的限制，通常情況下接口的選擇取決于音頻通道數(shù)目、數(shù)據(jù)處理及采樣率等參數(shù)。對便攜式系統(tǒng)來說，功率耗散與物理器件的尺寸通常是同等重要的。本文將介紹目前市場中存在的幾種音頻接口規(guī)格。l PCM規(guī)格 最簡單的音頻接口之一是所謂的PCM（脈

14、沖編碼調(diào)制）接口。嚴格地說，所有數(shù)字信號進行傳輸都要經(jīng)過PCM，并且需要仔細參照用于數(shù)字電話的單聲道機制。 PCM接口由時鐘脈沖（BCLK）、幀同步信號（FS）及數(shù)據(jù)隊列組成，每個PCM對應一個將要接收或?qū)⒁l(fā)送的數(shù)據(jù)。 在FS信號的上升沿，數(shù)據(jù)傳輸從MSB（Most Significant Bit）字開始，F(xiàn)S頻率等于采樣率。FS信號之后開始數(shù)據(jù)字的傳輸，單個的數(shù)據(jù)位按順序進行傳輸，1個時鐘周期傳輸1個數(shù)據(jù)字。發(fā)送MSB時，信號的等級首先降到最低，以避免在不同終端的接口使用不同的數(shù)據(jù)方案時造成MSB的丟失。除了在應用中正在衰落的RJ（Right-justified）格式外，目前這種方法已經(jīng)用

15、于大部分音頻接口中。 PCM接口很容易實現(xiàn)，原則上能夠支持任何數(shù)據(jù)方案和任何采樣率，但需要每個音頻通道獲得一個獨立的數(shù)據(jù)隊列，這種屬性會使PCM在數(shù)字電話等初級目標應用系統(tǒng)中成為極受歡迎的選擇。l I2S規(guī)格 I2S接口（Inter-IC Sound）在20世紀80年代首先被飛利浦用于消費音頻，并在一個稱為LRCLK（Left/Right CLOCK）的信號機制中經(jīng)過多路轉(zhuǎn)換，將兩路音頻信號成單一的數(shù)據(jù)隊列。當LRCLK為高時，左聲道數(shù)據(jù)被傳輸；LRCLK為低時，右聲道數(shù)據(jù)被傳輸。與PCM相比，I2S更適合于立體聲系統(tǒng)。對于多通道系統(tǒng)，在同樣的BCLK和LRCLK條件下，并行執(zhí)行幾個數(shù)據(jù)隊列也

16、是可能的。l AC97/AC-Link規(guī)格AC97（音頻編碼1997）標準是Intel公司為計算機音頻而指定的。與PCM和I2S不同，AC97不只是一種數(shù)據(jù)格式，用于音頻編碼的內(nèi)部架構規(guī)格，它還具有控制功能。眾所周知的AC-Link接口包括位時鐘（BITCLK）、同步信號校正（SYNC）和從編碼到處理器及從處理器中解碼（SDATDIN與SDATAOUT）的數(shù)據(jù)隊列。AC97數(shù)據(jù)幀以SYNC脈沖開始，包括12個20位時間段（時間段為標準中定義的不同的目的服務）及16位“tag”段，共計256個數(shù)據(jù)序列。例如，時間段“1”和“2”用于訪問編碼的控制寄存器，而時間段“3”和“4”分別負載左、右兩個音

17、頻通道。“tag”段表示其他段中哪一個包含有效數(shù)據(jù)。把幀分成時間段使傳輸控制信號和僅通過4根線到達9個音頻通道或轉(zhuǎn)換成其他數(shù)據(jù)流成為可能。與具有分離控制接口的I2S方案相比，AC97明顯減少了整體管腳數(shù)。2.4 音頻放大器的分類傳統(tǒng)的數(shù)字語音回放系統(tǒng)包含兩個主要過程：第一步：數(shù)字語音數(shù)據(jù)到模擬語音信號的變換(利用高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC)實現(xiàn)；第二步：利用模擬功率放大器進行模擬信號放大，如A類、B類和AB類放大器。從1980年代早期，許多研究者致力于開發(fā)不同類型的數(shù)字放大器，這種放大器直接從數(shù)字語音數(shù)據(jù)實現(xiàn)功率放大而不需要進行模擬轉(zhuǎn)換，這樣的放大器通常稱作數(shù)字功率放大器或者D類放大器。 l A類

18、放大器 A類放大器的主要特點是：放大器的工作點Q設定在負載線的中點附近，晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)均導通，即導通角。放大器可單管工作，也可以推挽工作。其優(yōu)點是由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小，而且諧波分量中主要是偶次諧波，在聽感上低音厚實、中音柔順溫暖、高音清晰利落、層次感好，電路簡單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有25，這是A類放大器的致命弱點，且有較大的非線性失真，現(xiàn)在設計基本上不再使用。A類放大器的特性曲線如下圖：圖2.2 A類放大器交直流負載線及輸出波形l B類放大器 B類放大器的主要特點是：放大器的工作點Q在截止點(VCC，

19、0)處，當沒有信號輸入時，輸出端幾乎不消耗功率。在V的正半周期內(nèi)，Q通Q截止，輸出端正半周正弦波；同理，當V為負半波正弦波(如圖虛線部分所示)，所以要得到完整信號波形必須用兩管推挽工作。其特點是效率較高(78%)，但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點是交越失真較大。即當信號在-0.6V0.6V之間時，Q和Q都無法導通而引起的?，F(xiàn)在這類放大器也因為它的缺陷，而很少被采用。 圖2.3 B類放大器的電路，交流負載線及輸出波形l AB類放大器 AB類放大器的主要特點是：晶體管的導通時間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作?？梢员苊饨辉绞д?。交替失真較大，可以抵消偶次諧波失真。有效率較高，晶體管

20、功耗較小的特點。AB類主要的設計思想是這樣的，既然A類效率較低，而B類卻波形差，同時用上2個B類放大電路，將兩者所剩的完整半波合并，達到與A類相同的全波效果，且效率高于A類，此即是所謂的AB類放大器。放大器在低電平驅(qū)動時，放大器為甲類工作，當提高驅(qū)動電平時，轉(zhuǎn)為乙類工作。甲乙類放大器的長處在于它比甲類提高了小信號輸入時的效率，隨著輸功率的增大，效率了增高，雖然失真比甲類大，然而至今仍是應用最廣泛的晶體管。l D類放大器 D類不是利用功率晶體管的線性工作區(qū)間特性來放大，不是用模擬原理來放大，而是用上電壓比較、脈寬調(diào)變等技術來放大，也因此有人稱D類放大為數(shù)位式功率放大或數(shù)位功放。首先，D類放大會將

21、原始的模擬信號波形，與比它更高頻率的三角波（或鋸齒波）進行電壓比較，如此便可將以振幅高低性表示的信號調(diào)變成以脈沖寬窄性表示的信號，此即是脈寬調(diào)變（Pulse Width Modulation；PWM），之后將PWM信號輸出到MOSFET場效晶體管上的閘極，以控制晶體管的導通、關閉，同時也在這個階段進行信號功率放大，最后MOSFET的輸出端連接LC低通濾波電路，將PWM的載波濾除，使原始信號波形重新呈現(xiàn)。放大器由輸入信號處理電路、開關信號形成電路、大功率開關電路(半橋式和全橋式)和低通濾波器等四部分組成。 了解原理后，再進一步去了解D類方式所呈現(xiàn)的優(yōu)缺點，缺點是以調(diào)變程序所形成的放大必然與原始信

22、號有些出入，但在一般消費性的音樂播放上依然可被接受，相對的D類放大提供了更多的益處，主要是極高的電能利用率，純理論上是100運用2，實務上也經(jīng)常在80、90的層級，比AB類更佳，也因此可再降低散熱片的倚賴性，甚至在低功率時可完全將散熱片舍棄。此外連同其相關組件所需占用的電路面積、體積，以及電路簡易性等，亦都是D類較優(yōu)異。更簡單說，D類與AB類一樣是妥協(xié)性的設計，在仍不錯的音質(zhì)下進行大幅的用電、體積精省，這正是今日掌上型、行動式、手持式裝置所最中意的特質(zhì)，現(xiàn)在絕大多數(shù)的手機、數(shù)字隨身聽、口袋電視、PDA、PMP等，其音效部分都實行D類放大器。2.5 輸出低通濾波器的設計D類放大器基于使用高開關頻

23、率信號的數(shù)字調(diào)制技術，旨在實現(xiàn)信號的高效放大。調(diào)制頻率通常高達數(shù)百kHz，這遠遠超出了音頻范圍。 由于需要從數(shù)字化或調(diào)制信號來恢復所需的真實音頻信號，因而必需采用一個輸出低通濾波器來濾除高頻分量，以再生與人類聽覺系統(tǒng)相匹配的真實模擬信號。 因此我們必須設計具有特定電抗性輸出阻抗的輸出濾波器，以便與負載阻抗相匹配。BTL （Bridge-Tied-load橋接式負載）半片式電路模型如圖下所示。圖2.4 BTL單片式電路模型D類放大器的輸出濾波器通常是一個二階、LC型Butterworth(巴特沃斯)濾波器。這是因為巴特沃斯濾波器能夠提供相對平坦的通帶頻率響應，而且所需的元件數(shù)量很少。這里給出一幅

24、參考曲線圖，用于顯示巴特沃斯、Bessel(貝塞爾)和chebyshev(切比雪夫)型濾波器的LPF響應如下圖所示。 圖2.5 巴特沃斯、貝塞爾、切比雪夫型濾波器的低通濾波響應的比較電感和電容值的計算：二階Butterworth濾波器的通用轉(zhuǎn)移函數(shù)為： （2.1）用L、C來替代電感和電容，代入S域。轉(zhuǎn)移函數(shù)變成： （2.2）兩個方程聯(lián)立簡化得出： （2.3） （2.4）對于一個實際的BTL電路，輸出濾波器如下圖所示。圖2.6 BTL電路輸出濾波器推導出的BTL濾波器方程為： （2.5） （2.6）LC濾波器的3dB截止頻率為： （2.7）電感的選擇：在輸出濾波器中，電感是關鍵元件。它與D類音頻

25、功率放大器系統(tǒng)的直流電阻和額定峰值電流規(guī)格有關。直流電阻反映了總輸出功率的效率。 除了選擇合適的電感值以獲得某一特定的截止頻率之外，輸出電感的最大直流電阻是影響總體效率的另一個關鍵參數(shù)。因此，強烈建議采用直流電阻較低的電感。 對于電感而言，另一個必須考慮的重要參數(shù)是其最大額定電流。如果電感的額定電流不足以維持器件的輸出電流，則電感將起短路的作用，這將使器件或揚聲器受到大電流的傷害。電容的選擇：在評價高頻片式電容的過程中，最重要的參數(shù)之一便是Q(品質(zhì)因數(shù))，或者相關的等效串聯(lián)電阻(ESR)。 簡單地說，ESR就是給定頻率條件下電容中的所有串聯(lián)和并聯(lián)損耗的衡量尺度。從理論上講，“理想”電容的ESR

26、將為0，并且是純電抗性的，沒有實部(阻性)分量。流經(jīng)電容的電流在所有的頻率上都將恰好超前電容兩端的電壓達90。但是現(xiàn)實中，電容總會呈現(xiàn)出一定程度的ESR。 品質(zhì)因數(shù)Q是一個無量綱值，它等于電容的電抗與電容的寄生電阻(ESR)兩者相除所得的商。 由于電抗和電阻均會隨頻率而改變，因此，Q值將隨頻率的改變而發(fā)生巨大的變化。電容的電抗會隨著頻率或電容值的變化而出現(xiàn)極大的波動，因此會造成Q發(fā)生顯著的變化。 2.6 NCP2820NCP2820是一款高性價比的單聲道音頻功率放大器。在5伏電壓下，能向4歐姆BTL負載提供2.65的持續(xù)功率，能向8歐姆BTL負載提供1.4功率，并且THD+N1%。對于手機和P

27、DA來說它能到來空間和成本的節(jié)約，因為當使用感應轉(zhuǎn)換器時，就不需要輸出濾波器了。工作效率高于90% ，且有非常低的開關電流，這樣增長了電池的壽命，明顯降低了焊接節(jié)點溫度。NCP2820用脈沖調(diào)制技術通過與三角波信號發(fā)生器的產(chǎn)生信號比較來處理輸入信號，減少了輸出噪聲和THD（總諧波失真）。當總信號來自不同的信源時，它允許采用獨立的輸入方式，因此，NCP2820在手機，聽筒，擴音器，甚至音樂播放器中得到了廣泛的應用，且只用一個就可以出色的完成任務。噪聲電平只有42，音質(zhì)完美，受負載的影響微小。圖2.7 NCP2820的兩種封裝9Pin FlipChip CSP和UDFN8NCP2820作為高性價比

28、單聲道D類音頻功率放大器具有以下功能特性：1、在5V電源時能向4歐姆BTL負載提供2.65W的功率， 能向8歐姆BTL負載提供1.4W功率，THD+N小于1%。2、關斷電流非常小，具有最佳的PWM輸出級。3、效率大于90%，無濾波器功能，2.5mA靜態(tài)電流。4、工作電壓為2.5V-5.5V，噪音電平42uV，有極好的PSRR(-65dB),不需要電壓調(diào)整器,。5、全差分設計，省略了兩個輸入耦合電容，內(nèi)部產(chǎn)生250kHz開關頻率，開關時間極短。6、外接增益配置功能以及短路保護電路，設置有開機噪音消除電路。為了便于手工焊接，采用UDFN8封裝模式，下面是NCP2820的內(nèi)部框架和管腳圖。 圖2.8

29、 NCP2820的內(nèi)部結構和UDFN8封裝管腳圖第3章 線路噪聲的過濾3.1 噪音來源l 電源噪音 移動電話的電源是一個很大的噪音來源，因為： a. 射頻信號的發(fā)射會產(chǎn)生高電流紋波，而GSM電話的電流紋波尤為顯著，因為GSM電話的功率射頻級按照4.615ms TDMA制式工作，使供電線路出現(xiàn)頻率為217Hz人耳可察覺到的電流紋波； b. 為背光LED、電致發(fā)光片(EL)、閃光燈及電池管理系統(tǒng)供電的板上直流/直流轉(zhuǎn)換器也會將高振幅的紋波噪音傳入供電線路。 l 開關切換噪音 每當電源進行開機/停機，或輸入/輸出耦合電容器進行充放電時，電路的不穩(wěn)定工作會產(chǎn)生開關切換噪音。目前，普遍采用的先進節(jié)能程序

30、經(jīng)常關、啟系統(tǒng)的未用部分，使開關切換噪音問題變得尤其嚴重。l 開啟及關閉時間 音頻功率放大器一向利用延遲開啟及關閉功能以降低來自輸入級的開關切換噪音。但對于部分應用來說，這樣做可能會丟失一些數(shù)據(jù)或信息，例如電子游戲玩家都希望每次按鍵時音響系統(tǒng)會有即時響應。 l 不同信號的輸入/輸出 輸入信號可能來自多個不同的信源，包括來自基帶處理器的單聲道語音，來自MP3譯碼器的立體聲信號，多音調(diào)音樂振鈴和立體聲FM電臺的射頻信號。 此外，信號可能有多個不同的輸出端口，其中包括單聲道耳機/接收器，外置單聲道或立體聲揚聲器，外置單聲道或立體聲耳機，專為汽車音響系統(tǒng)等外設而設的單聲道輸出。數(shù)字收音機或智能電話接收

31、的信號有部分采用數(shù)字格式，例如脈沖編碼調(diào)制(PCM)和I2S。 3.2 電容l 電容的分類本次音頻系統(tǒng)中把電容按作用和在電路位置的不同可分為三類：濾波電容；去藕電容；旁路電容。濾波電容：在電源整流電路中，用來濾除交流成分，使輸出的直流更平滑。去耦電容（decoupling）：用在放大電路中不需要交流的地方，用來消除自激，使放大器穩(wěn)定工作。也稱退耦電容，把輸出信號的干擾作為濾除對象。 旁路電容（bypass）：可將混有高頻電流和低頻電路的交流電中的高頻成分旁路掉的電容，稱做旁路電容。多用在有電阻連接時，接在電阻兩端使交流信號順利通過。旁路電容是把輸入信號中的高頻噪聲作為濾除對象，把前級攜帶的高頻

32、雜波濾除。按位置的不同可以把去耦合、旁路電容簡單區(qū)分如下圖：圖3.1 旁路電容和去耦電容的位置差別l 電容的選取一般情況來說，一個1uf-10uf 的電容將被放在系統(tǒng)的電源接入端用來過濾板子產(chǎn)生的低頻（60HZ左右），一個0.01uf-0.1uf 的電容放在設備的電源腳與地線腳之間來過濾100MHZ到更高的頻率。但這些值是怎么取得的呢?由于我們的目的是過濾掉電源供應中的AC 成分，所以電容似乎越大越好，最大限度的減小了阻抗。但是，這樣想沒有考慮到現(xiàn)實條件的電容并不具有理想條件下的那些特性。下圖是理想和實際電容器的區(qū)別：圖3.2 理想與實際電容器大電容由于容量大，所以體積一般也比較大，且通常使用

33、多層卷繞的方式制作，這就導致了大電容 的分布電感比較大（也叫等效串聯(lián)電感，英文簡稱ESR）。大家知道，電感對高頻信號的阻抗是很大的，所以，大電容的高頻性能不好。而一些小容量電容則剛剛相反，由于容量小，因此體積可以做得很?。s短了引線，就減小了ESL，因為一段導線也可以看成是一個電感的），而且常使用平板電容的結構，這樣小容量電容就有很小ESL這樣它就具有了很好的高頻性能，但由于容量小的緣故，對低頻信號的阻抗大。所以，如果我們?yōu)榱俗尩皖l、高頻信號都可以很好的通過，就采用 一個大電容再并上一個小電容的方式。常使用的小電容為 0.1uf的瓷片電容，當頻率更高時，還可并聯(lián)更小的電容，例如幾pf，幾百pf

34、的。這就是為什么有時一個大電容和一個小電容并聯(lián)接到一起得原因，大的濾低頻，小的濾低頻，這樣濾除得效果就更好了。實際的電容器存在ESL和ESR，這樣電容器就夠成了一個共鳴的電路，共振頻率 ，在小于的時候，它是電容性的，而大于的時候，它是電感性的。圖3.3 電容阻抗和頻率的關系在數(shù)字電路中，典型的設計一般要給每個芯片的電源引腳上并聯(lián)一個0.1uf的去耦電容到地，因為在這些地方的信號主要是高頻信號。這個電容的分布電感的典型值是5H。0.1F的去耦電容有5H的分布電感，它的并行共振頻率大約在7MHz左右，也就是說，對于10MHz以下的噪聲有較好的去耦效果，對40MHz以上的噪聲幾乎不起作用。如要選擇濾

35、除更高的頻率，要選擇高頻性能更好的電容。同時每10片左右集成電路要加一片充放電電容，或1個蓄能電容，可選10F左右。最好不用電解電容，電解電容是兩層薄膜卷起來的，這種卷起來的結構在高頻時表現(xiàn)為電感。要使用鉭電容或聚碳酸酯電容。去耦電容的選用并不嚴格，可按C=1/F，即10MHz取0.1F，100MHz取0.01F。3.3 鐵氧體磁珠l 磁珠的原理 磁珠的主要原料為鐵氧體。鐵氧體是一種立方晶格結構的亞鐵磁性材料。鐵氧體材料為鐵鎂合金或鐵鎳合金，它的制造工藝和機械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色。電磁干擾濾波器中經(jīng)常使用的一類磁芯就是鐵氧體材料，這種材料的特點是高頻損耗非常大，具有很高的導磁率。對于抑

36、制電磁干擾用的鐵氧體，最重要的性能參數(shù)為磁導率和飽和磁通密度。磁導率可以表示為復數(shù)，實數(shù)部分構成電感，虛數(shù)部分代表損耗，隨著頻率的增加而增加。因此，它的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯(lián)電路，L和R都是頻率的函數(shù)。當導線穿過這種鐵氧體磁芯時所構成的電感阻抗在形式上是隨著頻率的升高而增加，但是在不同頻率時其機理是完全不同的。圖3.4 磁珠在低頻段，阻抗由電感的感抗構成，低頻時R很小，磁芯的磁導率較高，因此電感量較大，L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制，并且這時磁芯的損耗較小，整個器件是一個低損耗、高Q特性的電感，這種電感容易造成諧振，因此在低頻段有時可能出現(xiàn)使用鐵氧體磁珠后干擾增強的現(xiàn)象。

37、 在高頻段，阻抗由電阻成分構成，隨著頻率升高，磁芯的磁導率降低，導致電感的電感量減小，感抗成分減小 ，但是這時磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導致總的阻抗增加，當高頻信號通過鐵氧體時，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能的形式耗散掉。 也因此原因，磁珠通常被用來濾除高頻段的信號。磁珠有效的工作在幾個MHz到幾百MHz的頻率范圍內(nèi)。要正確的選擇磁珠，必須注意以下幾點：1、 不需要的信號的頻率范圍為多少。2、 噪聲源是誰， 需要多大的噪聲衰減。 3、環(huán)境條件是什么（溫度，直流電壓，結構強度）。4、 電路和負載阻抗是多少。5、是否有空間在PCB板上放置磁珠。l 磁珠的特殊性和注意事項 1.磁珠的單位是歐姆，而不

38、是亨特，這一點要特別注意。因為磁珠的單位是按照它在某一頻率產(chǎn)生的阻抗來標稱的，阻抗的單位也是歐姆。磁珠的頻率對應阻抗值一般使用手冊上會給出。 2.普通濾波器是由無損耗的電抗元件構成的，它在線路中的作用是將阻帶頻率反射回信號源，所以這類濾波器又叫反射濾波器。當反射濾波器與信號源阻抗不匹配時，就會有一部分能量被反射回信號源，造成干擾電平的增強。為解決這一弊病，可在濾波器的進線上使用鐵氧體磁環(huán)或磁珠套，利用磁環(huán)或磁珠對高頻信號的渦流損耗，把高頻成分轉(zhuǎn)化為熱損耗。因此磁環(huán)和磁珠實際上對高頻成分起吸收作用，所以有時也稱之為吸收濾波器。 3. 不同的鐵氧體抑制元件，有不同的最佳抑制頻率范圍。通常磁導率越高

39、，抑制的頻率就越低。此外，鐵氧體的體積越大，抑制效果越好。在的情況下，還存體積一定時，長而細的形狀比短而粗的抑制效果好，內(nèi)徑越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流在鐵氧體飽和的問題，抑制元件橫截面越大，越不易飽和，可承受的偏流越大。EMI吸收磁環(huán)/磁珠抑制差模干擾時，通過它的電流值正比于其體積，兩者失調(diào)造成飽和，降低了元件性能；抑制共模干擾時，將電源的兩根線（正負）同時穿過一個磁環(huán)，有效信號為差模信號，EMI吸收磁環(huán)/磁珠對其沒有任何影響，而對于共模信號則會表現(xiàn)出較大的電感量。 4. 鐵氧體抑制元件應當安裝在靠近干擾源的地方。對于輸入/輸出電路，應盡量靠近屏蔽殼的進、出口處。對鐵氧體磁環(huán)和磁

40、珠構成的吸收濾波器，除了應選用高磁導率的有耗材料外，還要注意它的應用場合。它們在線路中對高頻成分所呈現(xiàn)的電阻大約是十至幾百歐姆，因此它在高阻抗電路中的作用并不明顯，相反，在低阻抗電路（如功率分配、電源或射頻電路）中使用將非常有效。3.4 ESD保護手機在整個生命周期內(nèi)都處在一個充滿靜電的環(huán)境之中，如果抗靜電釋放（ESD）設計不好，則可能導致手機在使用過程中發(fā)生鎖死、復位、數(shù)據(jù)丟失和不可靠等現(xiàn)象。電路保護元件的選擇應根據(jù)所要保護的布線情況、可用的電路板空間以及被保護電路的電特性來決定。此外，了解保護元件的特性知識也非常必要，需要考慮的重要因素之一是器件的箝位電壓。所謂箝位電壓是在ESD器件里跨在

41、瞬變電壓消除器(TVS)上的電壓，它是被保護IC的應變電壓。 因為利用先進工藝技術制造的IC電路里氧化層比較薄，柵極氧化層更易受到損害。這意味著較高的箝位電壓將在被保護IC器件上產(chǎn)生較高的應變電壓，并且增加了失效的概率。 很多保護元件都被設計成可吸收大量的能量，由于元件結構或設計上的原因也導致其具有很高的箝位電壓。由于變阻器的箝位電壓太高，他們不能夠提供有效的ESD保護。此外，由于變阻器的高電容他們也不能給高速數(shù)據(jù)線路提供保護。TVS二極管正是為解決此問題而產(chǎn)生的，它已成為保護便攜電子設備的關鍵性技術。 圖3.5 TVS 管TVS二極管是專門設計用于吸收ESD能量并且保護系統(tǒng)免遭ESD損害的固

42、態(tài)元件。如果應用得當，TVS二極管將限制跨在被保護器件上的電壓剛好高過額定工作電壓，但是卻遠低于破壞閾值電壓。處理瞬時脈沖對器件損害的最好辦法是將瞬時電流從敏感器件引開。TVS二極管在線路板上與被保護線路并聯(lián)，當瞬時電壓超過電路正常工作電壓后，TVS二極管便發(fā)生雪崩，提供給瞬時電流一個超低電阻通路，其結果是瞬時電流通過二極管被引開，避開被保護器件，并且在電壓恢復正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。當瞬時脈沖結束以后，TVS二極管自動回復高阻狀態(tài)，整個回路進入正常電壓。第4章 音頻子系統(tǒng)電路設計4.1 MT6227音頻接口此次我們設計的是SKYWORTH S200手機的音頻子系統(tǒng)部分，其中包

43、括：1、手持模式Receiver(聽筒)線路；2、手持模式MIC(話筒)線路；3、正常模式Speaker(揚聲器)線路；4、耳機模式Receiver線路；5、耳機模式MIC線路；6、耳機模式Speaker線路。這些線路接口都是手機的CPU提供的，現(xiàn)在就讓我們來了解一下這個神秘而功能強大芯片的音頻接口以及外圍音頻子系統(tǒng)電路，在這之前我們必須要了解一下接口電路：手機音頻系統(tǒng)手持模式receiver(聽筒)線路手持模式MIC線路耳機模式speaker線路 耳機模式MIC線路 正常模式speaker線路耳機模式receiver線路圖4.1 接口電路各個手機平臺的音頻子系統(tǒng)也各不相同，因此這里僅就MTK

44、一種平臺方案的實現(xiàn)過程舉例說明中國臺灣的MTK公司的產(chǎn)品因為集成較多的多媒體功能和較低的價格在大陸手機公司和手機設計方案公司得到廣泛的應用。SKYWORTH公司用到的MT6205/17/18B/19/26/27等芯片均提供模擬音頻接口，但是各有所不同。比如MT6226/MT6227提供了數(shù)字音頻接口DAI（Digital audio interface），允許客戶根據(jù)需要提取數(shù)字音源做更高階的音頻處理，如外加音效處理IC等。下圖為MTK平臺通用的音頻接口框圖：圖4.2 MTK平臺通用的音頻接口框圖我們這次采用的是MT6227ARM芯片，現(xiàn)在我們就著重介紹一下它的接口設置，其中模擬音頻接口共包含

45、6組線路，其中3路輸出，3路輸入。分別是：AU_OUT0_N/P ：用作為聽筒（receiver）提供聲音 （差分輸出）AU_OUT1_N/P ：用作為喇叭或耳機提供聲音 （差分輸出）AU_MOUTL/R ：用作為喇叭或耳機提供聲音 （單端輸出）AU_VIN0_N/P ：用作手持模式MIC聲音輸入 （差分輸入）AU_VIN1_N/P ：用作耳機模式MIC聲音輸入 （差分輸入）AU_FMINL/R ：用作FM聲音輸入 （立體聲輸入）為什么使用差分輸入輸出，主要是為了減少共模干擾，提高信號度。對應線路部分網(wǎng)絡名如下圖，因為S200沒有帶立體收音功能，所以還有兩個腳AU_FMINL、AU_FMINR

46、沒有使用，因為一款手機的研發(fā)周期比較長，所以一塊PCB板可能要做兩款手機，加上收音功能再重新設計一個外殼，把按鍵重新布位，就是另外一款手機了，這是我們在設計中要注意的地方。圖4.3 MT6227接口圖AU_OUT0_N/P SPKN0/SPKP0AU_OUT1_N/P SPKN1/SPKP1AU_MOUTL/R MP3_OUTL/MP3_OUTRAU_VIN0_N/P MICN0/MICP0AU_VIN1_N/P MICN1/MICP1AU_FMINL/R FM_INL/FM_INR其中GPO1_OP1_ON、EINT0_HEADSET、ADC5_SENDKEY三個接口是用來做控制信號的接口，

47、它們的具體作用我們將在后面解釋。AU_OUT1_N/P 與AU_MOUTL/R 均可用作耳機和音頻功放的音源，但是AU_OUT1_N/P 為差分輸出，AU_MOUTL/R為單端輸出。當使用立體聲耳機時，必須使用AU_MOUTL/R作為音源。（左右聲道可以是不一樣的聲音）4.2 音頻子系統(tǒng)電路設計4.2.1 手持式Receiver(聽筒)線路S200采用了獨立receiver的設計，有獨立的當然就有二合一的，所謂二合一設計就是將receiver和speaker設計在一起，通過CPU的功率控制來實現(xiàn)二者之間的選擇。獨立設計有個很突出的優(yōu)點就是負載比較小，那么損耗的功率也就比較少，效率更高了。設計電

48、路如下：圖4.4 手持式Receiver(聽筒)線路音頻回路的主要任務是消除217hz噪聲（也叫TDMA noise）。217HZ來自射頻部分。當射頻功放激活后，它根據(jù)所選的信道在每個4.615ms的八分之一時間里生成GSM900M或DCS1800M的信號。4.615Ms所對應的(1/4.615ms)216.684HZ能通過多種方式傳到音頻部分，人耳能聽到的信號頻率范圍是20HZ到20KHZ，所以要濾除它。我們不能直接濾除217HZ的噪聲，因為其頻率低不容易濾除。圖中33p電容能濾GSM 900M的TDD noise，10P的電容能濾DCS 1800M的TDD noise。而我們的任務主要是濾

49、除GSM的TDD noise，因為GSM的最大發(fā)射功率有33dbm,而DCS的最大發(fā)射功率只有30dbm，功率比GSM大約小一倍，所以干擾一般也比較小。 一般而言，音量越大，TDD noise 也會越大。我們的電路其中B3/B4兩顆磁珠和33PF電容是為了濾除900MHZ的TDD noise，但需要注意33PF電容下地需要比較干凈的地，否則會引入一定的背景噪音。圖中的T3和T4是TVS管，在這里起到靜電防護的作用。TVS是一種高效能的電路保護器件，是在穩(wěn)壓管工藝基礎上發(fā)展起來的一種新產(chǎn)品，其電路符號和普通穩(wěn)壓二極管相同,外形也與普通二極管無異,當TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的

50、速度（最高達10秒）使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個預定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。圖中R和R是0歐姆電阻。有人會說既然是0歐姆電阻那可有可無了，其實不然。0歐姆電阻在這里起到如下的作用 ：1）0歐電阻相當于很窄的電流通路，能夠有效地限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制。電阻對所有頻帶上的噪聲都有衰減作用(0歐電阻也有阻抗)，2）做保險絲用。由于PCB上走線的熔斷電流較大，如果發(fā)生短路過流等故障時，很難熔斷，可能會帶來更大的事故。由于0歐電阻電流承受能力比較弱，過流時就先將0歐電阻熔斷了，從而將電路防止了更大事故的發(fā)生。3）為調(diào)試預留的位

51、置。可以根據(jù)需要，決定是否安裝，或者其它的值。在工程設計中有很多問題是無法預料的，所以很多時候就必須要在一些容易出現(xiàn)問題的地方預留一些位置出來，一旦出現(xiàn)問題就能夠有的放矢。4.2.2 手持式MIC(話筒)線路圖4.5 手持式MIC(話筒)線路圖中33PF電容和磁珠B1、B2是用來濾除GSM900MHZ的TDD noise頻率干擾；10Pf電容式用來濾除DCS1800MHZ的TDD noise頻率干擾；T1和T2是兩個TVS管，用來起靜電防護作用；MICBISAN/P是為MIC提供偏置電壓，因為MIC里面有MOSFET管，要有偏置電壓才能工作；MICN/P0是從CPU出來的信號線路；C100起到

52、差分作用，使兩偏置電壓的中的差模干擾影響相互抵消；C1和C2起到濾波電容的作用，濾除信號中直流的分量；C3是橋接式負載模式中的電容，起到低通濾波的作用，濾除信號線中的共模干擾。R1、R2、R3、R4四個電阻的作用是限流和隔離，這就解釋了為什么R1、R2要用兩個電阻，而不用一個大的電阻，當信號線上有了干擾，因為有這幾個電阻的存在，干擾就不會傳遞到電源去，從而減少了對對其他電路的一向。4.2.3正常模式Speaker(揚聲器)線路 下圖是正常模式Speaker的右聲道線路，實際的線路還有一路與之對稱的左聲道線路。這樣有左右兩個聲道，就構成了立體聲線路，使得音效更加完美，使MP3的音質(zhì)更好，更加動聽

53、。由于線路形式及元件功能都一樣 ，我們就只對右聲道進行介紹。而且當通話使用免提時，聲音信號也走此路徑。圖4.6 正常模式Speak（揚聲器）線路圖 圖中NCP2820是前面介紹過的音頻功率放大器；C18和C19是兩個去耦電容，大的電容減小輸出脈動和低頻干擾，小的減小由于負載電流瞬時變化引起的高頻干擾；C17和R8及C16和R7組成的是高通濾波器，會砍掉截至頻率以下的頻率，其中=；GPO1_OP1_ON是控制信號，從CPU引出來的，與NCP2820 的/SHUTDOWN相連接用于控制NCP工作與否。MP3_OUTR是MP3右聲道的信號線路；SPEAKER_R-/+是右聲道SPEAKER的信號檢測

54、線；T5、T6是TVS管，是防ESD作用的；R9是一個下拉電阻，因為關閉信號是低電平有效，所以功率放大器通過下拉電阻來使其工作穩(wěn)定而不容易受到外部的干擾；剩余的其他器件同前面介紹的功能相同，就不予重復介紹。4.2.4 耳機模式線路 由于手機要求體積輕小，攜帶方便，所以耳機的三種模式線路都統(tǒng)一設計在一個線路上，這樣有利于線路的規(guī)劃與接口的統(tǒng)一安排。圖4.7 耳機模式線路圖耳機的三種模式線路接口如上圖，MICN1/P1是耳機的MIC信號端口；ADC5_SENDKEY是耳機接聽應答控制信號端口；EINT0_HEADSET是耳機是否進入工作的檢測信號端口；MP3_OUTL/R是耳機聽取MP3時的接入線

55、路；右邊的四個端口是連接到耳機接口插座上的線路端口；圖中33P和TVS管和前面介紹的功能一樣，起到濾除GSM900MHZ和靜電保護的作用；與MP3_OUTL/R緊連接的430歐姆電阻和22uF的電容也是起到高通濾波器的作用，20HZ,濾除我們聽不到的次聲波。R12/22/23/24是磁珠，作用也是濾除GSM900MHZ的頻率干擾。這個電路中用到了假差分線路，MICN1接到地與耳機信號中的AX_GND構成了一個假差分，目的就是為了減少共模干擾。4.3 音量大小控制針對音頻，有許多音頻模式和音頻路徑，總結起來有如下幾種：兩種音頻應用：speech（通話、錄音中的聲音）和melody（鈴聲、MP3等

56、），三種操作模式：normal mode手持模式， loudspeaker mode免提模式和headset mode耳機模式。三個音頻路徑：uplink path上行，side-tone path側(cè)音路徑和downlink path下行。uplink path只會在speech應用中打開，side-tone path只會在normal mode的 speech應用中打開，downlink path則在speech和melody的應用中都會打開。音頻路徑請參考下圖，其中AFE是指Audio Front End音頻前端。其中PGA（Programmable Gain Adaptors）可用作音量大小的調(diào)整，共有6個PGA。PGA1/2/6