降低蜂窩手機(jī)功耗并且延長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2.8V甚至1.8V——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)了問題。最常見的是智能手機(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，由于音頻信號峰峰值范圍大約在3.2V左右，因此產(chǎn)生和傳送這些鈴聲的電路通常需要4.2V的電源電壓。這樣在基帶和鈴聲電路之間的接口處出現(xiàn)了問題。

為了說明這個(gè)問題，我們要使用模擬開關(guān)將語音或鈴聲切換到揚(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)問題的一種簡單方法是對來自基帶芯片的數(shù)字邏輯做電平變換，以維持基帶芯片使用1.8V電壓來節(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。

將信號加到緩存器的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)。這樣確保模擬開關(guān)的門極電壓為電源的某一端電壓，從而使其信號范圍最大。從0～Vdd掃描輸入電壓的同時(shí)監(jiān)測電源電流(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(0μA)。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)，模擬開關(guān)消耗最低功耗。

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晶體管關(guān)斷

Vt被定義為門限電壓，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0.9V，PMOS晶體管的Vt為-0.9V。因此，當(dāng)輸入電壓是0V時(shí)，PMOS(M1)處于導(dǎo)通狀態(tài)，第一級的輸出是Vdd。在第二級中，NMOS(M5)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，緩存器總輸出為0V。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開始關(guān)斷)以及M5的阻抗下降(M5開始導(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)分析模擬開關(guān)實(shí)例，考慮使用ADI公司的ADG884模擬開關(guān)在手機(jī)的合弦振鈴器和語音之間切換。來自數(shù)字基帶芯片的控制信號為1.8V。如圖2所示，若用1.8V的數(shù)字信號直接驅(qū)動(dòng)模擬開關(guān)，則電源電流應(yīng)為120μA。如果模擬開關(guān)的數(shù)字輸入電壓高于3.8V，那么功耗實(shí)際上應(yīng)為0。因此為了使模擬開關(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0.1μA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。

當(dāng)然，上面例子中的模擬開關(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5V～1.8V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電池壽命。應(yīng)該考慮如下因素：低端移動(dòng)電話通常使用600mAh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2mA。如果沒有進(jìn)行電平變換，本例中所使用的模擬開關(guān)將吸收4.8%的電流，但是如果經(jīng)過上述的電平變換后其僅吸收0.04%的電流。