GSM手持机音频子系统设计

1、35 湖南工业大学本科生毕业设计（论文）目录第1章 绪论11.1 课题的背景与研究内容1第2章 音频的相关知识32.1 主流音频编码32.2 单声道、立体声与环绕声32.3 数字音频接口42.4 音频放大器的分类62.5 输出低通滤波器的设计82.6 NCP282010第3章 线路噪声的过滤123.1 噪音来源123.2 电容123.3 铁氧体磁珠143.4 ESD保护16第4章 音频子系统电路设计184.1 MT6227音频接口184.2 音频子系统电路设计204.2.1 手持式Receiver(听筒)线路204.2.2 手持式MIC(话筒)线路224.2.3正常模式Speaker(扬声器)

2、线路224.2.4 耳机模式线路244.3 音量大小控制244.3 Echo回音简介26第5章 系统测试28第6章 结束语29致谢30参考文献31附录A32附录B34附录C3535第1章 绪论1.1 课题的背景与研究内容现代社会科学技术迅猛发展，日新月异，通讯行业的发展更是惊人，手机的发展史不只代表着科技的进步，也证明了人类文明的发展。 从模拟到GSM、从GSM到GPRS等等，每样新技术的发明都对手机的发展起着很大的推动力。 手机的发展史大致上可分为这几代： 第一代（1G） ；第二代（2G）； 第三代（3G） 。第一代手机(1G)模拟移动电话在70年代末诞生了。模拟移动电话系统主要采用模拟和频

3、分多址（FDMA）技术。AMPS(北美蜂窝系统)、NMT(北欧移动电话)和TACS(全向通信系统)是主要的模拟标准。只能进行语音通信，收讯效果和保密性不足，无线带宽利用也不充分。第一代无线网络技术的最大成就是去掉了将电话连接到网络的用户线，用户可以在任何地方无线接收和拨打电话。第二代 (2G) 目前全球使用最广泛的手机是GSM手机，CDMA手机和小灵通(PHS)手机，这些都称为第二代手机(2G)。第二代系统引入了数码无线电技术，它提供更高的网络容量，改善了语音质量和保密性，还引入了无缝的国际漫游。第二代系统除了可以进行语音通信以外，还可以收发短信（短消息、SMS）、彩信（MMS、多媒体简讯）、

4、WAP等。如今全世界第二代手机的市场标注，包括GSM、DAMPS、PDC和IS95CDMA等。第三代 (3G) 第三代移动系统，即IMT2000，是宽带多媒体系统，能提供高质量宽带综合业务。第三代手机的主要目标是开发全球通用的无线通讯系统，但结果出现了多种不同制式，包括了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。这些新的制式都基于CDMA（码分多址）技术，在带宽利用和数据通信方面都有进一步发展。在手机通讯方式发展的同时，手机音频系统方面也已经成为一部手机设计成功与否的重要标准。手机音频系统设计目前面对的最大挑战是如何为模拟及数字讯号信道提供一个理想的接口。此外，也要尽量减少外置组件的数目

5、以及缩小电路板的面积，同时还要顾及音响效果 (例如要改善总谐波失真、串音干扰、信号噪声比等)、散热能力及功耗，以便延长电池寿命。由于便携式电子产品必须尽量节省用电，我们采用无需加设滤波器的高效率D类(Class D)放大器以及内建这类音频放大器的音频子系统，以满足对节电方面的要求。同时为了滤除高频干扰，开关电源干扰，消除静电危害等等，我们采用了大量的滤波和静电防护器件，这样我们的音质才能达到很好的效果。现代通信技术飞速发展，产品更新换代的频率也很快，特别是手机行业，只有跟上潮流的发展，企业才能生存下来。采用何种通信技术固然重要，但是手机附带的一些功能也不容忽视，手机已经不再是只用来打电话进行通

6、讯的简单设备，其他的一些功能比如，听音乐，上网，游戏等等，也早已是很大的卖点。现在越来越多的顾客都要求手机有高品质的音效，悦耳的铃声、动听的MP3音乐，这些已经是必不可少的功能了。这次的音频子系统的研究也就主要是针对这方面的研究，主要研究内容包括如下几个方面：1）在讨论音频子系统各个部分的前提下，叙述相关的放大器、滤波器等工作原理，分析各种方法的优越性，以及我们采用的方法的实际性；同时依据各个系统的原理，指出各部分元件的具体实现功能及参数值。2）依据系统设计目标，分析设计各个模块的电路系统，并根据系统模块给出具体电路，并详细介绍工作原理。3）针对音频子系统，进行电路图的整理，用软件进行原理图的

7、绘制，同时对各元件的各种网络参数进行设置，为下一步制作PCB板打下坚实基础。4）用软件对音频子系统的电路进行PCB板的布局与布线，导出器件清单。5）拿到公司部门审核，向公司申请手机完整电路板，对电路板中有关音频方面的线路接口进行引线处理，之后进行有关音频方面的测试，总结设计中的得与失。第2章 音频的相关知识2.1 主流音频编码 PCM编码PCM 脉冲编码调制是Pulse Code Modulation的缩写。PCM通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码7。PCM编码的最大的优点就是音质好，最大的缺点就是体积大。我们常见的Audio CD就采用了PCM编码，一张光盘的容量

8、只能容纳72分钟的音乐信息。 A M R 编码AMR 为自适应多码率语音传输编译码器(Adpative Multi-Rate Speech Codec)，最初版是欧洲电信标准化协会(ETSI)为GMS 系统所制定的语音编译码标准，而因频宽又分为两种 AMR-NB(AMR Narrowband)和AMRWB(AMR Wideband)。以市场最大品牌Nokia来说，其多数手机都支持上述两种格式的音频文件。 M P 3 编码MP3 是MPEG AudioLayer3 的缩写，这是一种音频压缩技术，其编码具有10:1-12:1的高压缩率，可以保持低频部分不失真，但牺牲了音频中12KHz -16KHz

9、的高频部份来降低文件大小，其“.mp3”格式文件一般只有“.wav”的10%。另外，MP3 受到欢迎的一大原因，是它并非受到版权保护的技术，所以任何人都可以使用。MP3格式压缩音乐的取样频率有很多种，可以用64kbps 或更低的编码来节省空间，亦可以用到320kbps 达到极高的压缩音质。MP3在编码速率上，又分为CBR(固定编码)，与及“VBR”(可变码率)技术，有些手机无法播放下载来的音乐，正是因为没有支持“VBR”格式的MP3 音乐。 A A C 编码AAC 即高级音频编码(Advanced Audio Coding)，它采用的运算方式是与MP3 不同，AAC 可以同时支持多达48 个音

10、轨、15 个低频音轨、更多种取样率和传输率、具有多种言语的兼容能力，以及更高的解码效率。总结来说，AAC 可以在比MP3 格式再缩小30% 的条件下提供更好的音质，而且声音保真度好，更接近原音，所以被手机界视为是最佳的音频编码格式。2.2 单声道、立体声与环绕声 单声道（Mono）：所谓的单声道，就是声音只由一只音箱产生，听众可以很明显地听出声音的来源就是音箱所摆放的位置，其本身的表现力较为平淡；单声道是比较原始的声音复制形式，早期的声卡采用的比较普遍，当通过两个扬声器回放单声道信息的时候，我们可以明显感觉到声音是从两个音箱正中间传递到我们耳朵里的。这种缺乏位置感的录制方式用现在的眼光看自然是

11、很落后的，但在声卡刚刚起步时，已经是非常先进的技术了。 立体声（Stereo）：立体声是利用了两个独立声道进行录音，整个过程不加任何的声音处理。立体声系统的再现需要一对音箱来完成，它通过调整系统中两只音箱发出声音的大小，让我们误认为声源来自两只音箱之间直线段中的任意位置。特别是当使用耳机的时候，由于左右两边的声音串音情况很少发生，所以声音的定位比较准确；再加上比较真实的音场感觉，它的表现力比单声道真实得多。单声道缺乏对声音位置的定位，而立体声技术则彻底改变了这一状况。声音在录制的过程中被分配到两个独立的声道，从而达到了很好的声音定位效果。这种技术在音乐欣赏中显得尤为有用，听众可以清晰地分辨出各

12、种乐器来自的方向，从而使音乐更富有想象力，更加接近于临场感受。立体声大量应用，成为了影响深远的一个音频标准。时至今日，立体声是许多产品遵循的技术标准，但立体声的缺陷也十分明显，最明显就是对音箱的位置摆放要求较高，摆放的不好就会影响声音的表现力。 图2.1 立体声及其音场 3D环绕声 (3D Surround)有时也称作3D增强立体声(3D Enhancement)。它是一种模拟环绕声系统。左、右声道的立体声信号，经过数字信号处理后，通过左、右两路音箱，产生三维的环绕声场效果。它使用一般双声道创建一个具有三维感觉的环绕声音场，比立体声好，但与编码式环绕系统有相当的差距。常见的有SRS实验室的SR

13、S WOW、Q-sound实验室的Qxpander、Spatializer实验室的Spatializer3D等技术，主要针对普通双声道立体声信号进行处理，对于杜比环绕声信号不作解码，采用强制处理的方式，显而易见不可能处理AC-3信号。2.3 数字音频接口针对不同的数字音频子系统，催生出几种微处理器或DSP（数字信号处理器）与音频器件间用于数字转换的接口。受系统实际性能的限制，通常情况下接口的选择取决于音频通道数目、数据处理及采样率等参数。对便携式系统来说，功率耗散与物理器件的尺寸通常是同等重要的。本文将介绍目前市场中存在的几种音频接口规格。l PCM规格 最简单的音频接口之一是所谓的PCM（脉

14、冲编码调制）接口。严格地说，所有数字信号进行传输都要经过PCM，并且需要仔细参照用于数字电话的单声道机制。 PCM接口由时钟脉冲（BCLK）、帧同步信号（FS）及数据队列组成，每个PCM对应一个将要接收或将要发送的数据。 在FS信号的上升沿，数据传输从MSB（Most Significant Bit）字开始，FS频率等于采样率。FS信号之后开始数据字的传输，单个的数据位按顺序进行传输，1个时钟周期传输1个数据字。发送MSB时，信号的等级首先降到最低，以避免在不同终端的接口使用不同的数据方案时造成MSB的丢失。除了在应用中正在衰落的RJ（Right-justified）格式外，目前这种方法已经用

15、于大部分音频接口中。 PCM接口很容易实现，原则上能够支持任何数据方案和任何采样率，但需要每个音频通道获得一个独立的数据队列，这种属性会使PCM在数字电话等初级目标应用系统中成为极受欢迎的选择。l I2S规格 I2S接口（Inter-IC Sound）在20世纪80年代首先被飞利浦用于消费音频，并在一个称为LRCLK（Left/Right CLOCK）的信号机制中经过多路转换，将两路音频信号成单一的数据队列。当LRCLK为高时，左声道数据被传输；LRCLK为低时，右声道数据被传输。与PCM相比，I2S更适合于立体声系统。对于多通道系统，在同样的BCLK和LRCLK条件下，并行执行几个数据队列也

16、是可能的。l AC97/AC-Link规格AC97（音频编码1997）标准是Intel公司为计算机音频而指定的。与PCM和I2S不同，AC97不只是一种数据格式，用于音频编码的内部架构规格，它还具有控制功能。众所周知的AC-Link接口包括位时钟（BITCLK）、同步信号校正（SYNC）和从编码到处理器及从处理器中解码（SDATDIN与SDATAOUT）的数据队列。AC97数据帧以SYNC脉冲开始，包括12个20位时间段（时间段为标准中定义的不同的目的服务）及16位“tag”段，共计256个数据序列。例如，时间段“1”和“2”用于访问编码的控制寄存器，而时间段“3”和“4”分别负载左、右两个音

17、频通道。“tag”段表示其他段中哪一个包含有效数据。把帧分成时间段使传输控制信号和仅通过4根线到达9个音频通道或转换成其他数据流成为可能。与具有分离控制接口的I2S方案相比，AC97明显减少了整体管脚数。2.4 音频放大器的分类传统的数字语音回放系统包含两个主要过程：第一步：数字语音数据到模拟语音信号的变换(利用高精度数模转换器DAC)实现；第二步：利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，如A类、B类和AB类放大器。从1980年代早期，许多研究者致力于开发不同类型的数字放大器，这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。 l A类

18、放大器 A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均导通，即导通角。放大器可单管工作，也可以推挽工作。其优点是由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小，而且谐波分量中主要是偶次谐波，在听感上低音厚实、中音柔顺温暖、高音清晰利落、层次感好，电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25，这是A类放大器的致命弱点，且有较大的非线性失真，现在设计基本上不再使用。A类放大器的特性曲线如下图：图2.2 A类放大器交直流负载线及输出波形l B类放大器 B类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q在截止点(VCC，

19、0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在V的正半周期内，Q通Q截止，输出端正半周正弦波；同理，当V为负半波正弦波(如图虚线部分所示)，所以要得到完整信号波形必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是交越失真较大。即当信号在-0.6V0.6V之间时，Q和Q都无法导通而引起的。现在这类放大器也因为它的缺陷，而很少被采用。 图2.3 B类放大器的电路，交流负载线及输出波形l AB类放大器 AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真3。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管

20、功耗较小的特点。AB类主要的设计思想是这样的，既然A类效率较低，而B类却波形差，同时用上2个B类放大电路，将两者所剩的完整半波合并，达到与A类相同的全波效果，且效率高于A类，此即是所谓的AB类放大器。放大器在低电平驱动时，放大器为甲类工作，当提高驱动电平时，转为乙类工作。甲乙类放大器的长处在于它比甲类提高了小信号输入时的效率，随着输功率的增大，效率了增高，虽然失真比甲类大，然而至今仍是应用最广泛的晶体管。l D类放大器 D类不是利用功率晶体管的线性工作区间特性来放大，不是用模拟原理来放大，而是用上电压比较、脉宽调变等技术来放大，也因此有人称D类放大为数位式功率放大或数位功放。首先，D类放大会将

21、原始的模拟信号波形，与比它更高频率的三角波（或锯齿波）进行电压比较，如此便可将以振幅高低性表示的信号调变成以脉冲宽窄性表示的信号，此即是脉宽调变（Pulse Width Modulation；PWM），之后将PWM信号输出到MOSFET场效晶体管上的闸极，以控制晶体管的导通、关闭，同时也在这个阶段进行信号功率放大，最后MOSFET的输出端连接LC低通滤波电路，将PWM的载波滤除，使原始信号波形重新呈现。放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路(半桥式和全桥式)和低通滤波器等四部分组成。 了解原理后，再进一步去了解D类方式所呈现的优缺点，缺点是以调变程序所形成的放大必然与原始信

22、号有些出入，但在一般消费性的音乐播放上依然可被接受，相对的D类放大提供了更多的益处，主要是极高的电能利用率，纯理论上是100运用2，实务上也经常在80、90的层级，比AB类更佳，也因此可再降低散热片的倚赖性，甚至在低功率时可完全将散热片舍弃。此外连同其相关组件所需占用的电路面积、体积，以及电路简易性等，亦都是D类较优异。更简单说，D类与AB类一样是妥协性的设计，在仍不错的音质下进行大幅的用电、体积精省，这正是今日掌上型、行动式、手持式装置所最中意的特质，现在绝大多数的手机、数字随身听、口袋电视、PDA、PMP等，其音效部分都实行D类放大器。2.5 输出低通滤波器的设计D类放大器基于使用高开关频

23、率信号的数字调制技术，旨在实现信号的高效放大。调制频率通常高达数百kHz，这远远超出了音频范围。 由于需要从数字化或调制信号来恢复所需的真实音频信号，因而必需采用一个输出低通滤波器来滤除高频分量，以再生与人类听觉系统相匹配的真实模拟信号。 因此我们必须设计具有特定电抗性输出阻抗的输出滤波器，以便与负载阻抗相匹配。BTL （Bridge-Tied-load桥接式负载）半片式电路模型如图下所示。图2.4 BTL单片式电路模型D类放大器的输出滤波器通常是一个二阶、LC型Butterworth(巴特沃斯)滤波器。这是因为巴特沃斯滤波器能够提供相对平坦的通带频率响应，而且所需的元件数量很少。这里给出一幅

24、参考曲线图，用于显示巴特沃斯、Bessel(贝塞尔)和chebyshev(切比雪夫)型滤波器的LPF响应如下图所示。 图2.5 巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫型滤波器的低通滤波响应的比较电感和电容值的计算：二阶Butterworth滤波器的通用转移函数为： （2.1）用L、C来替代电感和电容，代入S域。转移函数变成： （2.2）两个方程联立简化得出： （2.3） （2.4）对于一个实际的BTL电路，输出滤波器如下图所示。图2.6 BTL电路输出滤波器推导出的BTL滤波器方程为： （2.5） （2.6）LC滤波器的3dB截止频率为： （2.7）电感的选择：在输出滤波器中，电感是关键元件。它与D类音频

25、功率放大器系统的直流电阻和额定峰值电流规格有关。直流电阻反映了总输出功率的效率。 除了选择合适的电感值以获得某一特定的截止频率之外，输出电感的最大直流电阻是影响总体效率的另一个关键参数。因此，强烈建议采用直流电阻较低的电感。 对于电感而言，另一个必须考虑的重要参数是其最大额定电流。如果电感的额定电流不足以维持器件的输出电流，则电感将起短路的作用，这将使器件或扬声器受到大电流的伤害。电容的选择：在评价高频片式电容的过程中，最重要的参数之一便是Q(品质因数)，或者相关的等效串联电阻(ESR)。 简单地说，ESR就是给定频率条件下电容中的所有串联和并联损耗的衡量尺度。从理论上讲，“理想”电容的ESR

26、将为0，并且是纯电抗性的，没有实部(阻性)分量。流经电容的电流在所有的频率上都将恰好超前电容两端的电压达90。但是现实中，电容总会呈现出一定程度的ESR。 品质因数Q是一个无量纲值，它等于电容的电抗与电容的寄生电阻(ESR)两者相除所得的商。 由于电抗和电阻均会随频率而改变，因此，Q值将随频率的改变而发生巨大的变化。电容的电抗会随着频率或电容值的变化而出现极大的波动，因此会造成Q发生显著的变化。 2.6 NCP2820NCP2820是一款高性价比的单声道音频功率放大器。在5伏电压下，能向4欧姆BTL负载提供2.65的持续功率，能向8欧姆BTL负载提供1.4功率，并且THD+N1%。对于手机和P

27、DA来说它能到来空间和成本的节约，因为当使用感应转换器时，就不需要输出滤波器了。工作效率高于90% ，且有非常低的开关电流，这样增长了电池的寿命，明显降低了焊接节点温度。NCP2820用脉冲调制技术通过与三角波信号发生器的产生信号比较来处理输入信号，减少了输出噪声和THD（总谐波失真）。当总信号来自不同的信源时，它允许采用独立的输入方式，因此，NCP2820在手机，听筒，扩音器，甚至音乐播放器中得到了广泛的应用，且只用一个就可以出色的完成任务。噪声电平只有42，音质完美，受负载的影响微小。图2.7 NCP2820的两种封装9Pin FlipChip CSP和UDFN8NCP2820作为高性价比

28、单声道D类音频功率放大器具有以下功能特性：1、在5V电源时能向4欧姆BTL负载提供2.65W的功率， 能向8欧姆BTL负载提供1.4W功率，THD+N小于1%。2、关断电流非常小，具有最佳的PWM输出级。3、效率大于90%，无滤波器功能，2.5mA静态电流。4、工作电压为2.5V-5.5V，噪音电平42uV，有极好的PSRR(-65dB),不需要电压调整器,。5、全差分设计，省略了两个输入耦合电容，内部产生250kHz开关频率，开关时间极短。6、外接增益配置功能以及短路保护电路，设置有开机噪音消除电路。为了便于手工焊接，采用UDFN8封装模式，下面是NCP2820的内部框架和管脚图。 图2.8

29、 NCP2820的内部结构和UDFN8封装管脚图第3章 线路噪声的过滤3.1 噪音来源l 电源噪音 移动电话的电源是一个很大的噪音来源，因为： a. 射频信号的发射会产生高电流纹波，而GSM电话的电流纹波尤为显著，因为GSM电话的功率射频级按照4.615ms TDMA制式工作，使供电线路出现频率为217Hz人耳可察觉到的电流纹波； b. 为背光LED、电致发光片(EL)、闪光灯及电池管理系统供电的板上直流/直流转换器也会将高振幅的纹波噪音传入供电线路。 l 开关切换噪音 每当电源进行开机/停机，或输入/输出耦合电容器进行充放电时，电路的不稳定工作会产生开关切换噪音。目前，普遍采用的先进节能程序

30、经常关、启系统的未用部分，使开关切换噪音问题变得尤其严重。l 开启及关闭时间 音频功率放大器一向利用延迟开启及关闭功能以降低来自输入级的开关切换噪音。但对于部分应用来说，这样做可能会丢失一些数据或信息，例如电子游戏玩家都希望每次按键时音响系统会有即时响应。 l 不同信号的输入/输出 输入信号可能来自多个不同的信源，包括来自基带处理器的单声道语音，来自MP3译码器的立体声信号，多音调音乐振铃和立体声FM电台的射频信号。 此外，信号可能有多个不同的输出端口，其中包括单声道耳机/接收器，外置单声道或立体声扬声器，外置单声道或立体声耳机，专为汽车音响系统等外设而设的单声道输出。数字收音机或智能电话接收

31、的信号有部分采用数字格式，例如脉冲编码调制(PCM)和I2S。 3.2 电容l 电容的分类本次音频系统中把电容按作用和在电路位置的不同可分为三类：滤波电容；去藕电容；旁路电容。滤波电容：在电源整流电路中，用来滤除交流成分，使输出的直流更平滑。去耦电容（decoupling）：用在放大电路中不需要交流的地方，用来消除自激，使放大器稳定工作。也称退耦电容，把输出信号的干扰作为滤除对象。 旁路电容（bypass）：可将混有高频电流和低频电路的交流电中的高频成分旁路掉的电容，称做旁路电容。多用在有电阻连接时，接在电阻两端使交流信号顺利通过。旁路电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频

32、杂波滤除。按位置的不同可以把去耦合、旁路电容简单区分如下图：图3.1 旁路电容和去耦电容的位置差别l 电容的选取一般情况来说，一个1uf-10uf 的电容将被放在系统的电源接入端用来过滤板子产生的低频（60HZ左右），一个0.01uf-0.1uf 的电容放在设备的电源脚与地线脚之间来过滤100MHZ到更高的频率。但这些值是怎么取得的呢?由于我们的目的是过滤掉电源供应中的AC 成分，所以电容似乎越大越好，最大限度的减小了阻抗。但是，这样想没有考虑到现实条件的电容并不具有理想条件下的那些特性。下图是理想和实际电容器的区别：图3.2 理想与实际电容器大电容由于容量大，所以体积一般也比较大，且通常使用

33、多层卷绕的方式制作，这就导致了大电容 的分布电感比较大（也叫等效串联电感，英文简称ESR）。大家知道，电感对高频信号的阻抗是很大的，所以，大电容的高频性能不好。而一些小容量电容则刚刚相反，由于容量小，因此体积可以做得很小（缩短了引线，就减小了ESL，因为一段导线也可以看成是一个电感的），而且常使用平板电容的结构，这样小容量电容就有很小ESL这样它就具有了很好的高频性能，但由于容量小的缘故，对低频信号的阻抗大。所以，如果我们为了让低频、高频信号都可以很好的通过，就采用 一个大电容再并上一个小电容的方式。常使用的小电容为 0.1uf的瓷片电容，当频率更高时，还可并联更小的电容，例如几pf，几百pf

34、的。这就是为什么有时一个大电容和一个小电容并联接到一起得原因，大的滤低频，小的滤低频，这样滤除得效果就更好了。实际的电容器存在ESL和ESR，这样电容器就够成了一个共鸣的电路，共振频率 ，在小于的时候，它是电容性的，而大于的时候，它是电感性的。图3.3 电容阻抗和频率的关系在数字电路中，典型的设计一般要给每个芯片的电源引脚上并联一个0.1uf的去耦电容到地，因为在这些地方的信号主要是高频信号。这个电容的分布电感的典型值是5H。0.1F的去耦电容有5H的分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，也就是说，对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。如要选择滤

35、除更高的频率，要选择高频性能更好的电容。同时每10片左右集成电路要加一片充放电电容，或1个蓄能电容，可选10F左右。最好不用电解电容，电解电容是两层薄膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感。要使用钽电容或聚碳酸酯电容。去耦电容的选用并不严格，可按C=1/F，即10MHz取0.1F，100MHz取0.01F。3.3 铁氧体磁珠l 磁珠的原理 磁珠的主要原料为铁氧体。铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料。铁氧体材料为铁镁合金或铁镍合金，它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为灰黑色。电磁干扰滤波器中经常使用的一类磁芯就是铁氧体材料，这种材料的特点是高频损耗非常大，具有很高的导磁率。对于抑

36、制电磁干扰用的铁氧体，最重要的性能参数为磁导率和饱和磁通密度。磁导率可以表示为复数，实数部分构成电感，虚数部分代表损耗，随着频率的增加而增加。因此，它的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路，L和R都是频率的函数。当导线穿过这种铁氧体磁芯时所构成的电感阻抗在形式上是随着频率的升高而增加，但是在不同频率时其机理是完全不同的。图3.4 磁珠在低频段，阻抗由电感的感抗构成，低频时R很小，磁芯的磁导率较高，因此电感量较大，L起主要作用，电磁干扰被反射而受到抑制，并且这时磁芯的损耗较小，整个器件是一个低损耗、高Q特性的电感，这种电感容易造成谐振，因此在低频段有时可能出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。

37、 在高频段，阻抗由电阻成分构成，随着频率升高，磁芯的磁导率降低，导致电感的电感量减小，感抗成分减小 ，但是这时磁芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加，当高频信号通过铁氧体时，电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。 也因此原因，磁珠通常被用来滤除高频段的信号。磁珠有效的工作在几个MHz到几百MHz的频率范围内。要正确的选择磁珠，必须注意以下几点：1、 不需要的信号的频率范围为多少。2、 噪声源是谁， 需要多大的噪声衰减。 3、环境条件是什么（温度，直流电压，结构强度）。4、 电路和负载阻抗是多少。5、是否有空间在PCB板上放置磁珠。l 磁珠的特殊性和注意事项 1.磁珠的单位是欧姆，而不

38、是亨特，这一点要特别注意。因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的，阻抗的单位也是欧姆。磁珠的频率对应阻抗值一般使用手册上会给出。 2.普通滤波器是由无损耗的电抗元件构成的，它在线路中的作用是将阻带频率反射回信号源，所以这类滤波器又叫反射滤波器。当反射滤波器与信号源阻抗不匹配时，就会有一部分能量被反射回信号源，造成干扰电平的增强。为解决这一弊病，可在滤波器的进线上使用铁氧体磁环或磁珠套，利用磁环或磁珠对高频信号的涡流损耗，把高频成分转化为热损耗。因此磁环和磁珠实际上对高频成分起吸收作用，所以有时也称之为吸收滤波器。 3. 不同的铁氧体抑制元件，有不同的最佳抑制频率范围。通常磁导率越高

39、，抑制的频率就越低。此外，铁氧体的体积越大，抑制效果越好。在的情况下，还存体积一定时，长而细的形状比短而粗的抑制效果好，内径越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流在铁氧体饱和的问题，抑制元件横截面越大，越不易饱和，可承受的偏流越大。EMI吸收磁环/磁珠抑制差模干扰时，通过它的电流值正比于其体积，两者失调造成饱和，降低了元件性能；抑制共模干扰时，将电源的两根线（正负）同时穿过一个磁环，有效信号为差模信号，EMI吸收磁环/磁珠对其没有任何影响，而对于共模信号则会表现出较大的电感量。 4. 铁氧体抑制元件应当安装在靠近干扰源的地方。对于输入/输出电路，应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。对铁氧体磁环和磁

40、珠构成的吸收滤波器，除了应选用高磁导率的有耗材料外，还要注意它的应用场合。它们在线路中对高频成分所呈现的电阻大约是十至几百欧姆，因此它在高阻抗电路中的作用并不明显，相反，在低阻抗电路（如功率分配、电源或射频电路）中使用将非常有效。3.4 ESD保护手机在整个生命周期内都处在一个充满静电的环境之中，如果抗静电释放（ESD）设计不好，则可能导致手机在使用过程中发生锁死、复位、数据丢失和不可靠等现象。电路保护元件的选择应根据所要保护的布线情况、可用的电路板空间以及被保护电路的电特性来决定。此外，了解保护元件的特性知识也非常必要，需要考虑的重要因素之一是器件的箝位电压。所谓箝位电压是在ESD器件里跨在

41、瞬变电压消除器(TVS)上的电压，它是被保护IC的应变电压。 因为利用先进工艺技术制造的IC电路里氧化层比较薄，栅极氧化层更易受到损害。这意味着较高的箝位电压将在被保护IC器件上产生较高的应变电压，并且增加了失效的概率。 很多保护元件都被设计成可吸收大量的能量，由于元件结构或设计上的原因也导致其具有很高的箝位电压。由于变阻器的箝位电压太高，他们不能够提供有效的ESD保护。此外，由于变阻器的高电容他们也不能给高速数据线路提供保护。TVS二极管正是为解决此问题而产生的，它已成为保护便携电子设备的关键性技术。 图3.5 TVS 管TVS二极管是专门设计用于吸收ESD能量并且保护系统免遭ESD损害的固

42、态元件。如果应用得当，TVS二极管将限制跨在被保护器件上的电压刚好高过额定工作电压，但是却远低于破坏阈值电压。处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法是将瞬时电流从敏感器件引开。TVS二极管在线路板上与被保护线路并联，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS二极管便发生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流通过二极管被引开，避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压。第4章 音频子系统电路设计4.1 MT6227音频接口此次我们设计的是SKYWORTH S200手机的音频子系统部分，其中包

43、括：1、手持模式Receiver(听筒)线路；2、手持模式MIC(话筒)线路；3、正常模式Speaker(扬声器)线路；4、耳机模式Receiver线路；5、耳机模式MIC线路；6、耳机模式Speaker线路。这些线路接口都是手机的CPU提供的，现在就让我们来了解一下这个神秘而功能强大芯片的音频接口以及外围音频子系统电路，在这之前我们必须要了解一下接口电路：手机音频系统手持模式receiver(听筒)线路手持模式MIC线路耳机模式speaker线路 耳机模式MIC线路 正常模式speaker线路耳机模式receiver线路图4.1 接口电路各个手机平台的音频子系统也各不相同，因此这里仅就MTK

44、一种平台方案的实现过程举例说明中国台湾的MTK公司的产品因为集成较多的多媒体功能和较低的价格在大陆手机公司和手机设计方案公司得到广泛的应用。SKYWORTH公司用到的MT6205/17/18B/19/26/27等芯片均提供模拟音频接口，但是各有所不同。比如MT6226/MT6227提供了数字音频接口DAI（Digital audio interface），允许客户根据需要提取数字音源做更高阶的音频处理，如外加音效处理IC等。下图为MTK平台通用的音频接口框图：图4.2 MTK平台通用的音频接口框图我们这次采用的是MT6227ARM芯片，现在我们就着重介绍一下它的接口设置，其中模拟音频接口共包含

45、6组线路，其中3路输出，3路输入。分别是：AU_OUT0_N/P ：用作为听筒（receiver）提供声音 （差分输出）AU_OUT1_N/P ：用作为喇叭或耳机提供声音 （差分输出）AU_MOUTL/R ：用作为喇叭或耳机提供声音 （单端输出）AU_VIN0_N/P ：用作手持模式MIC声音输入 （差分输入）AU_VIN1_N/P ：用作耳机模式MIC声音输入 （差分输入）AU_FMINL/R ：用作FM声音输入 （立体声输入）为什么使用差分输入输出，主要是为了减少共模干扰，提高信号度。对应线路部分网络名如下图，因为S200没有带立体收音功能，所以还有两个脚AU_FMINL、AU_FMINR

46、没有使用，因为一款手机的研发周期比较长，所以一块PCB板可能要做两款手机，加上收音功能再重新设计一个外壳，把按键重新布位，就是另外一款手机了，这是我们在设计中要注意的地方。图4.3 MT6227接口图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三个接口是用来做控制信号的接口，

47、它们的具体作用我们将在后面解释。AU_OUT1_N/P 与AU_MOUTL/R 均可用作耳机和音频功放的音源，但是AU_OUT1_N/P 为差分输出，AU_MOUTL/R为单端输出。当使用立体声耳机时，必须使用AU_MOUTL/R作为音源。（左右声道可以是不一样的声音）4.2 音频子系统电路设计4.2.1 手持式Receiver(听筒)线路S200采用了独立receiver的设计，有独立的当然就有二合一的，所谓二合一设计就是将receiver和speaker设计在一起，通过CPU的功率控制来实现二者之间的选择。独立设计有个很突出的优点就是负载比较小，那么损耗的功率也就比较少，效率更高了。设计电

48、路如下：图4.4 手持式Receiver(听筒)线路音频回路的主要任务是消除217hz噪声（也叫TDMA noise）。217HZ来自射频部分。当射频功放激活后，它根据所选的信道在每个4.615ms的八分之一时间里生成GSM900M或DCS1800M的信号。4.615Ms所对应的(1/4.615ms)216.684HZ能通过多种方式传到音频部分，人耳能听到的信号频率范围是20HZ到20KHZ，所以要滤除它。我们不能直接滤除217HZ的噪声，因为其频率低不容易滤除。图中33p电容能滤GSM 900M的TDD noise，10P的电容能滤DCS 1800M的TDD noise。而我们的任务主要是滤

49、除GSM的TDD noise，因为GSM的最大发射功率有33dbm,而DCS的最大发射功率只有30dbm，功率比GSM大约小一倍，所以干扰一般也比较小。 一般而言，音量越大，TDD noise 也会越大。我们的电路其中B3/B4两颗磁珠和33PF电容是为了滤除900MHZ的TDD noise，但需要注意33PF电容下地需要比较干净的地，否则会引入一定的背景噪音。图中的T3和T4是TVS管，在这里起到静电防护的作用。TVS是一种高效能的电路保护器件，是在稳压管工艺基础上发展起来的一种新产品，其电路符号和普通稳压二极管相同,外形也与普通二极管无异,当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的

50、速度（最高达10秒）使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。图中R和R是0欧姆电阻。有人会说既然是0欧姆电阻那可有可无了，其实不然。0欧姆电阻在这里起到如下的作用 ：1）0欧电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。电阻对所有频带上的噪声都有衰减作用(0欧电阻也有阻抗)，2）做保险丝用。由于PCB上走线的熔断电流较大，如果发生短路过流等故障时，很难熔断，可能会带来更大的事故。由于0欧电阻电流承受能力比较弱，过流时就先将0欧电阻熔断了，从而将电路防止了更大事故的发生。3）为调试预留的位

51、置。可以根据需要，决定是否安装，或者其它的值。在工程设计中有很多问题是无法预料的，所以很多时候就必须要在一些容易出现问题的地方预留一些位置出来，一旦出现问题就能够有的放矢。4.2.2 手持式MIC(话筒)线路图4.5 手持式MIC(话筒)线路图中33PF电容和磁珠B1、B2是用来滤除GSM900MHZ的TDD noise频率干扰；10Pf电容式用来滤除DCS1800MHZ的TDD noise频率干扰；T1和T2是两个TVS管，用来起静电防护作用；MICBISAN/P是为MIC提供偏置电压，因为MIC里面有MOSFET管，要有偏置电压才能工作；MICN/P0是从CPU出来的信号线路；C100起到

52、差分作用，使两偏置电压的中的差模干扰影响相互抵消；C1和C2起到滤波电容的作用，滤除信号中直流的分量；C3是桥接式负载模式中的电容，起到低通滤波的作用，滤除信号线中的共模干扰。R1、R2、R3、R4四个电阻的作用是限流和隔离，这就解释了为什么R1、R2要用两个电阻，而不用一个大的电阻，当信号线上有了干扰，因为有这几个电阻的存在，干扰就不会传递到电源去，从而减少了对对其他电路的一向。4.2.3正常模式Speaker(扬声器)线路 下图是正常模式Speaker的右声道线路，实际的线路还有一路与之对称的左声道线路。这样有左右两个声道，就构成了立体声线路，使得音效更加完美，使MP3的音质更好，更加动听

53、。由于线路形式及元件功能都一样 ，我们就只对右声道进行介绍。而且当通话使用免提时，声音信号也走此路径。图4.6 正常模式Speak（扬声器）线路图 图中NCP2820是前面介绍过的音频功率放大器；C18和C19是两个去耦电容，大的电容减小输出脉动和低频干扰，小的减小由于负载电流瞬时变化引起的高频干扰；C17和R8及C16和R7组成的是高通滤波器，会砍掉截至频率以下的频率，其中=；GPO1_OP1_ON是控制信号，从CPU引出来的，与NCP2820 的/SHUTDOWN相连接用于控制NCP工作与否。MP3_OUTR是MP3右声道的信号线路；SPEAKER_R-/+是右声道SPEAKER的信号检测

54、线；T5、T6是TVS管，是防ESD作用的；R9是一个下拉电阻，因为关闭信号是低电平有效，所以功率放大器通过下拉电阻来使其工作稳定而不容易受到外部的干扰；剩余的其他器件同前面介绍的功能相同，就不予重复介绍。4.2.4 耳机模式线路 由于手机要求体积轻小，携带方便，所以耳机的三种模式线路都统一设计在一个线路上，这样有利于线路的规划与接口的统一安排。图4.7 耳机模式线路图耳机的三种模式线路接口如上图，MICN1/P1是耳机的MIC信号端口；ADC5_SENDKEY是耳机接听应答控制信号端口；EINT0_HEADSET是耳机是否进入工作的检测信号端口；MP3_OUTL/R是耳机听取MP3时的接入线

55、路；右边的四个端口是连接到耳机接口插座上的线路端口；图中33P和TVS管和前面介绍的功能一样，起到滤除GSM900MHZ和静电保护的作用；与MP3_OUTL/R紧连接的430欧姆电阻和22uF的电容也是起到高通滤波器的作用，20HZ,滤除我们听不到的次声波。R12/22/23/24是磁珠，作用也是滤除GSM900MHZ的频率干扰。这个电路中用到了假差分线路，MICN1接到地与耳机信号中的AX_GND构成了一个假差分，目的就是为了减少共模干扰。4.3 音量大小控制针对音频，有许多音频模式和音频路径，总结起来有如下几种：两种音频应用：speech（通话、录音中的声音）和melody（铃声、MP3等

56、），三种操作模式：normal mode手持模式， loudspeaker mode免提模式和headset mode耳机模式。三个音频路径：uplink path上行，side-tone path侧音路径和downlink path下行。uplink path只会在speech应用中打开，side-tone path只会在normal mode的 speech应用中打开，downlink path则在speech和melody的应用中都会打开。音频路径请参考下图，其中AFE是指Audio Front End音频前端。其中PGA（Programmable Gain Adaptors）可用作音量大小的调整，共有6个PGA。PGA1/2/6