降低蜂窩手機(jī)功耗并且延長(zhǎng)其電池壽命是每一位手機(jī)設(shè)計(jì)工程師的目標(biāo),。設(shè)計(jì)工程師正在不斷將MP3播放器、照相機(jī)以及全運(yùn)動(dòng)視頻等功能加入到現(xiàn)代手機(jī)中,，從而需要不斷地將功耗降到最低,。
將手機(jī)主要芯片（例如模擬基帶芯片和數(shù)字基帶芯片）的電源電壓降低——可能是2.8 V甚至1.8 V——是降低功耗的一種方法。但是當(dāng)設(shè)計(jì)工程師需要保留一顆或多顆采用高電源電壓的支持芯片時(shí)出現(xiàn)了問(wèn)題,。最常見(jiàn)的是智能手機(jī)的額外功能將需要較高的電壓,。其中一個(gè)例子就是合弦鈴聲，由于音頻信號(hào)峰峰值范圍大約在3.2 V左右,，因此產(chǎn)生和傳送這些鈴聲的電路通常需要4.2 V的電源電壓,。這樣在基帶和鈴聲電路之間的接口處出現(xiàn)了問(wèn)題。
為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題,，我們要使用模擬開(kāi)關(guān)將語(yǔ)音或鈴聲切換到揚(yáng)聲器作為一個(gè)例子,。為了使這兩類電路共存于同一塊印制電路板（PCB）上，要么折中功耗,，要么使用基帶芯片中的低電壓數(shù)字邏輯驅(qū)動(dòng)模擬開(kāi)關(guān),。然而應(yīng)當(dāng)注意，采用后一種方案可能會(huì)失去從基帶芯片降低電源電壓獲得的節(jié)省功耗,，因?yàn)楫?dāng)模擬開(kāi)關(guān)工作在非理想模式下,，從而會(huì)產(chǎn)生很大的灌電流。
解決這個(gè)問(wèn)題的一種簡(jiǎn)單方法是對(duì)來(lái)自基帶芯片的數(shù)字邏輯做電平變換,，以維持基帶芯片使用1.8 V電壓來(lái)節(jié)省功耗,，但是這種方案需要更高的電壓驅(qū)動(dòng)必須工作在更高電壓下手機(jī)中的任何芯片。
為了進(jìn)一步解釋這種方案為什么需要電平變換器,，讓我們看一下電流實(shí)際流向哪里,。如圖1 所示，模擬開(kāi)關(guān)的數(shù)字輸入是一個(gè)基本的CMOS緩存器,，其由連接逆變器的PMOS和NMOS晶體管組成,。
圖1
將信號(hào)加到緩存器的I/P輸入引腳。當(dāng)輸入電壓高于輸入高電壓（Vih）時(shí)緩存器的輸出電壓是Vdd（電源電壓）,，當(dāng)輸入電壓低于輸入低電壓（Vil）時(shí)緩存器的輸出電壓為GND（地）,。這樣確保模擬開(kāi)關(guān)的門(mén)極電壓為電源的某一端電壓，從而使其信號(hào)范圍最大。從0～Vdd掃描輸入電壓的同時(shí)監(jiān)測(cè)電源電流（Idd）產(chǎn)生的如圖2所示的I-V特性曲線,。當(dāng)輸入電壓是電源電壓的任一端電壓時(shí),，Idd降到最小值（0 μA）。但是當(dāng)輸入電壓接近于緩存器的跳變點(diǎn)時(shí),，Idd急劇增加,。因此，當(dāng)施加到I/P端的數(shù)字輸入電壓為電源的某一端電壓時(shí),，模擬開(kāi)關(guān)消耗最低功耗,。
圖2
緩存器具有的特性曲線如圖2所示。由于緩存器設(shè)計(jì)中所用的NMOS和PMOS開(kāi)關(guān)管實(shí)際上是用作電壓控制電阻器,。這些芯片所表現(xiàn)的特性如下：
Vgs > Vt —> 晶體管導(dǎo)通
Vgs < Vt —> 晶體管關(guān)斷
Vt被定義為門(mén)限電壓,，當(dāng)高于該電壓時(shí)在源極和漏極之間形成導(dǎo)電溝道。NMOS晶體管的Vt為0.9 V,，PMOS晶體管的Vt為－0.9 V,。因此，當(dāng)輸入電壓是0 V時(shí),，PMOS（M1）處于導(dǎo)通狀態(tài)，第一級(jí)的輸出是Vdd,。在第二級(jí)中,，NMOS（M5）器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，緩存器總輸出為0 V,。緩存器輸入電壓增加時(shí)（在達(dá)到最大電流以前）會(huì)引起M1的阻抗增加（M1開(kāi)始關(guān)斷）以及M5的阻抗下降（M5開(kāi)始導(dǎo)通）,，這時(shí)我們將會(huì)看到Vdd和 GND之間形成的低阻抗通道。進(jìn)一步提高輸入電壓會(huì)使緩存器的輸入輸出晶體管對(duì)中只有一只晶體管導(dǎo)通,。
我們運(yùn)用上述原理繼續(xù)分析模擬開(kāi)關(guān)實(shí)例,，考慮使用ADI公司的ADG884模擬開(kāi)關(guān)在手機(jī)的合弦振鈴器和語(yǔ)音之間切換。來(lái)自數(shù)字基帶芯片的控制信號(hào)為1.8 V,。如圖2所示,，若用1.8 V的數(shù)字信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)模擬開(kāi)關(guān)，則電源電流應(yīng)為120 μA,。如果模擬開(kāi)關(guān)的數(shù)字輸入電壓高于3.8 V,，那么功耗實(shí)際上應(yīng)為0。因此為了使模擬開(kāi)關(guān)工作在最低功耗區(qū)域,，數(shù)字基帶芯片的數(shù)字信號(hào)需要變換為更高的電壓,。采用ADI公司的SC70超小封裝并且通常僅消耗0.1 μA 電流的ADG3301作為電平變換器非常適合這項(xiàng)工作。如圖3所示,，它可以與基帶芯片的電源電壓和模擬開(kāi)關(guān)的電源電壓連接并且在兩顆芯片之間轉(zhuǎn)換邏輯電平,。
圖3
當(dāng)然，上面例子中的模擬開(kāi)關(guān)可以是工作在更高電壓下的任何芯片。當(dāng)代移動(dòng)手機(jī)由多個(gè)CMOS集成電路（IC）組成以完成不同的功能,，例如音頻以及視頻和數(shù)碼照相機(jī),。這些IC通常可工作在5 V～1.8 V之間的任何電壓下,，有時(shí)甚至是更低的電源電壓,。
總之，我們采用電平變換節(jié)省功耗的方案以延長(zhǎng)電池壽命,。應(yīng)該考慮如下因素：低端移動(dòng)電話通常使用600 mAh容量的電池,。低端手機(jī)的電池待機(jī)時(shí)間為300小時(shí)（hr），其標(biāo)稱電流為2 mA,。如果沒(méi)有進(jìn)行電平變換,，本例中所使用的模擬開(kāi)關(guān)將吸收4.8%的電流，但是如果經(jīng)過(guò)上述的電平變換后其僅吸收0.04%的電流,。