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插孔,，帶麥克風(fēng)輸入和壓簧開關(guān)的單聲道耳機插孔,，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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)計人員,，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)計目標(biāo),。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(dāng)前市場的最佳選擇。這些比較器是幫助設(shè)計人員控制功耗的關(guān)鍵所在,。
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。
圖1.插孔自動檢測電路
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(zhuǎn)換,，以便與控制器連接。在手機,、PDA等空間受限應(yīng)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(zhuǎn)換功能,。例如MAX9060系列，采用1mm × 1mm晶片級封裝,，僅消耗1µA電流,。
耳機檢測
圖1所示的音頻插孔設(shè)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(fēng)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(fēng)耳機。電路設(shè)計依據(jù)為：耳機電阻很低(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(fēng)的單聲道耳機中承載麥克風(fēng)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(fēng)的單聲道耳機,，“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(fēng)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(fēng)的電氣模型
駐極體麥克風(fēng)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(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(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RMIC-BIAS連接到音頻控制器提供的低噪聲基準(zhǔn)電壓(VMIC-REF),。當(dāng)音頻插孔被插入附件時,，VMIC-REF電壓通過RMIC-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VDETECT,。對于立體聲耳機,，該電阻很小(8Ω、16Ω或32Ω);對于麥克風(fēng),，電流源吸收的固定電流因麥克風(fēng)類型的不同會在100µA至大約800µA間浮動,，因而電阻值較大。由于VDETECT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VDETECT,，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(shè)微控制器的基準(zhǔn)電壓(VMIC-REF)為3V,，32Ω耳機負載將產(chǎn)生43mV的VDETECT電壓,。而500µA固定電流的麥克風(fēng)負載將產(chǎn)生1.9V的電壓。注意,，大多數(shù)應(yīng)用中,，直接連接VDETECT會出現(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 × VCC和低于0.3 × VCC,，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VDETECT,，任何低于2.3V的電壓都不滿足控制器的VIH (輸入高電平，假設(shè)RBIAS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VDETECT連接到比較器的一個輸入端，將基準(zhǔn)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(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。
壓簧開關(guān)檢測
大多數(shù)免提耳機都有一個開關(guān),，通常稱為壓簧開關(guān),，該開關(guān)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(dāng)前通話,。控制耳機的微控制器需要檢測壓簧開關(guān)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(guān)的狀態(tài),。壓簧開關(guān)狀態(tài)檢測電路包括一個4芯立體聲耳機(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)按下時呈現(xiàn)為低阻,，釋放時麥克風(fēng)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(fēng)/壓簧開關(guān)檢測,，麥克風(fēng)檢測電壓與微控制器的CMOS輸入之間的接口電路設(shè)計比較復(fù)雜。
圖5. 采用MAX9063比較器的壓簧開關(guān)檢測電路
當(dāng)壓簧開關(guān)按下時,，電壓VDETECT (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，VDETECT可能超出CMOS輸入的VIH電壓規(guī)格,。根據(jù)RMIC-BIAS (本例中為2.2kΩ)和耳機中麥克風(fēng)類型的不同,，VDETECT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(guān)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(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,，比較器輸出拉至高電平;釋放開關(guān)時，拉至低電平,。MAX9060系列比較器同樣可以提供低功耗設(shè)計,，用于壓簧開關(guān)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(guān)時獲得的,。設(shè)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(fēng)(帶壓簧開關(guān)),，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(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,，受單聲道耳機及其內(nèi)部電路控制。當(dāng)單聲道耳機的壓簧開關(guān)按下時,，比較器檢測到麥克風(fēng)短路,，從而將輸出上拉到邏輯高電平。
檢測到的VDETECT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VDETECT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(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)用中常常需要檢測插孔,、耳機和壓簧開關(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,。這些比較器為便攜應(yīng)用中的附件檢測提供了一種經(jīng)濟的解決方案,。