利用低功耗比較器自動檢測插入附件，控制系統(tǒng)的整體功耗

便攜式電子設備大多采用3芯或4芯插孔，它可以作為立體聲耳機插孔，帶麥克風輸入和壓簧開關的單聲道耳機插孔，也可以作為帶有麥克風/壓簧開關組合的立體聲耳機插孔。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外部附件進行檢測，不僅把功耗控制在可以忽略的等級，還為產(chǎn)品提供了一種小巧、簡單、具有極高性價比的檢測方案。

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

增加電路實現(xiàn)自動檢測/選擇功能會提高系統(tǒng)功耗，這就帶來了問題。作為設計人員，應該盡可能降低功耗，確保系統(tǒng)以最小的空間滿足“綠色”環(huán)保的設計目標。為達到這一目的，超小尺寸、微功耗比較器，例如MAX9060系列，成為當前市場的最佳選擇。這些比較器是幫助設計人員控制功耗的關鍵所在。
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硬件電路檢測插孔的連接

我們首先簡單回顧自動檢測插孔的基本原理。

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

沒有附件插入插孔時，輸出信號被拉高；有附件插入插孔時，信號被拉低。該檢測信號連接到一個微控制器端口，它能夠在揚聲器(無耳機時)和耳機揚聲器(有耳機時)之間自動切換音頻信號。

在微控制器輸入之前，可以通過一個簡單的晶體管對檢測信號進行緩沖。該晶體管還可提供必要的電平轉換，以便與控制器連接。在手機、PDA等空間受限應用中，需要選擇封裝尺寸不大于幾個毫米的晶體管。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換功能。例如MAX9060系列，采用1mm × 1mm晶片級封裝，僅消耗1μA電流。


圖1. 插孔自動檢測電路
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耳機檢測

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

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


圖2. 三芯音頻插孔
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駐極體麥克風

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


圖3. 駐極體麥克風的電氣模型

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

麥克風通過一個電阻(通常為1kΩ至10kΩ)和電源電壓進行偏置，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行選擇。因此，偏置電壓會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檢測電路所連接的耳機類型。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電壓(V_MIC-REF)。當音頻插孔被插入附件時，V_MIC-REF電壓通過R_MIC-BIAS作用到插頭-地之間的等效電阻(圖中未標出)上，從而在MAX9063的同相輸入端產(chǎn)生電壓V_DETECT。對于立體聲耳機，該電阻很小(8Ω、16Ω或32Ω)；對于麥克風，電流源吸收的固定電流因麥克風類型的不同會在100μA至大約800μA間浮動，因而電阻值較大。由于V_DETECT隨著插入插孔的耳機類型而變化，所以能夠通過一個比較器監(jiān)測V_DETECT，判斷出耳機類型。


圖4. 用于耳機檢測的比較器電路

如圖所示，假設微控制器的基準電壓(V_MIC-REF)為3V，32Ω耳機負載將產(chǎn)生43mV的V_DETECT電壓。而500μA固定電流的麥克風負載將產(chǎn)生1.9V的電壓。注意，大多數(shù)應用中，直接連接V_DETECT會出現(xiàn)問題。假設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該高于2.3V、低于1V。

500μA麥克風負載產(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R_BIAS為2.2kΩ)要求。為了得到2.3V或更高的電壓，麥克風偏置電流必須為318μA或更小。否則就必須改變2.2kΩ偏置電阻，從而改變麥克風的檢測門限。由于具有32Ω典型負載的耳機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現(xiàn)。

為了檢測耳機類型，需要將V_DETECT連接到比較器的一個輸入端，將基準電壓連接到另一個輸入。比較器輸出即代表了耳機類型。

這種便攜式耳機檢測應用的比較器應具有小尺寸，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。它對手機頻率具有很強的抗干擾能力，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空間、功耗極為敏感的電池供電產(chǎn)品(例如：手機、便攜式媒體播放器和筆記本電腦)中耳機檢測電路的理想選擇。
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壓簧開關檢測

大多數(shù)免提耳機都有一個開關，通常稱為壓簧開關，該開關用來接聽、掛斷電話，具有靜音/保持功能，并且在接聽另一個電話時保持當前通話。控制耳機的微控制器需要檢測壓簧開關的狀態(tài)以及耳機的連接狀態(tài)，自動檢測插孔是否插入附件(這里指耳機) (圖1)。同時還產(chǎn)生一個信號，用于表示壓簧開關的狀態(tài)。壓簧開關狀態(tài)檢測電路包括一個4芯立體聲耳機(帶麥克風)和并聯(lián)的壓簧開關(圖5) (單聲道耳麥與其類似，但為3芯)。兩種不同類型的耳機中，插頭連接到與壓簧開關并聯(lián)的麥克風上，如圖所示，壓簧開關按下時呈現(xiàn)為低阻，釋放時麥克風呈現(xiàn)為高阻。如上述耳麥檢測中介紹的內(nèi)容，對于麥克風/壓簧開關檢測，麥克風檢測電壓與微控制器的CMOS輸入之間的接口電路設計比較復雜。


圖5. 采用MAX9063比較器的壓簧開關檢測電路

當壓簧開關按下時，電壓V_DETECT (圖5)下拉至地電位附近，微控制器判斷為邏輯“0”；當壓簧開關釋放時，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)和耳機中麥克風類型的不同，V_DETECT會在1.24V至2.78V之間變化。

所以，對于不同類型的微控制器，壓簧開關無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)實際檢測的麥克風類型設置基準電壓，指示壓簧開關的狀態(tài)。當壓簧開關按下時，比較器輸出拉至高電平；釋放開關時，拉至低電平。MAX9060系列比較器同樣可以提供低功耗設計，用于壓簧開關檢測。

圖6所示示波器截屏圖是按下單聲道耳機的壓簧開關時獲得的。設置與圖5電路完全相同，只是采用了一個用于手機的2.5mm通用耳機進行測試。耳機插頭帶一個駐極體麥克風(帶壓簧開關)，32Ω揚聲器連接到“金屬環(huán)”處。采用3V電源供電，通過2.2kΩ電阻提供偏置時，麥克風吸收212μA的固定偏置電流。


圖6. 這些波形由帶壓簧開關的駐極體麥克風產(chǎn)生，受單聲道耳機及其內(nèi)部電路控制。當單聲道耳機的壓簧開關按下時，比較器檢測到麥克風短路，從而將輸出上拉到邏輯高電平。

檢測到的V_DETECT直流電壓為2.52V (圖6)，MAX9063輸出為低電平狀態(tài)。按下壓簧開關即將V_DETECT接地，比較器輸出通過一個外部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壓簧開關和附件。MAX9028系列比較器同樣適合此類應用。
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結論

在便攜應用中常常需要檢測插孔、耳機和壓簧開關。MAX9063、MAX9028系列專用比較器非常適合這類應用，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。這些比較器為便攜應用中的附件檢測提供了一種經(jīng)濟的解決方案。