Zastosowanie komparatorów do detekcji akcesoriów audio

W obwodzie gniazdka słuchawkowego przyłączony rezystor podciągający umożliwia generację sygnału wykrycia obecności słuchawek lub innego urządzenia zewnętrznego. Styk detekcyjny jest połączony z napięciem zasilającym za pośrednictwem rezystora, a z chwilą wsunięcia do gniazdka wtyczki kontakt ten zostaje przerwany. Styk pozostaje normalnie w logicznym stanie wysokim, a po wsunięciu wtyczki do gniazdka przechodzi w stan niski. Sygnał detekcji jest kierowany do portu mikrokontrolera, który może automatycznie przełączać sygnał audio pomiędzy głośnikiem i słuchawkami.

Rys. 1. Układ automatycznego wykrywania wtyczki

Do buforowania sygnału detekcyjnego (przed doprowadzeniem go do mikrokontrolera) można użyć tranzystora zapewniającego pożądany poziom sygnału. Oczywiste jest, że w miniaturowych urządzeniach o dużym stopniu upakowania podzespołów należy zastosować tranzystor w bardzo małej obudowie, ewentualnie zintegrowany z komparatorem małej mocy.

Wykrywanie słuchawek

Gniazdko audio przedstawione na rysunku 1 jest przystosowane do typowych 3-stykowych wtyczek audio (rys. 2), które są stosowane do podłączania słuchawek stereo albo słuchawek mono z mikrofonem. Można je łatwo rozróżnić poprzez analizę impedancji, która w przypadku słuchawek wynosi zwykle 8...32Ω, a w przypadku mikrofonu 0,6...10kΩ.

W trójstykowej, stereofonicznej wtyczce audio końcówka łączy się z lewym kanałem, pierścień z prawym kanałem, a tulejka z masą. W przypadku słuchawki monofonicznej z mikrofonem, zamiast lewego kanału do końcówki jest podłączone wyprowadzenie mikrofonu.

Mikrofony elektretowe

W mikrofonie elektretowym (rys. 3) główną rolę pełni element pojemnościowy, którego pojemność zmienia się w takt wibracji mechanicznych, generując napięcie zmienne proporcjonalne do natężenia fal dźwiękowych. Ładunek statyczny mikrofon otrzymuje za pośrednictwem rezystora. Zasilanie jest potrzebne także dla wewnętrznego przedwzmacniacza mikrofonowego zrealizowanego na tranzystorze FET.

Mikrofon elektretowy jest źródłem prądowym o bardzo dużej impedancji wewnętrznej. Przedwzmacniacz FET obniża impedancję, zapewniając odpowiednie sprzężenie z właściwym wzmacniaczem. Zatem tani i mały mikrofon elektretowy o dobrej czułości doskonale nadaje się do stosowania w zestawach słuchawkowych do telefonów komórkowych oraz do współpracy z komputerowymi kartami dźwiękowymi.

Mikrofon jest zwykle zasilany za pośrednictwem rezystora polaryzującego 1... 10kΩ odpowiednim napięciem, zapewniającym uzyskanie wymaganego natężenia prądu. Wynosi ono od 100 do około 800µA, zależnie od typu mikrofonu i jego producenta.

Rezystor jest dobierany w zależności od napięcia zasilania, natężenia prądu polaryzującego i czułości. Przy rezystancji 2,2kΩ i napięciu zasilania 3V, napięcie pracy wyniesie 2,78V dla prądu 100µA i 1,24V dla prądu 800µA. Rodzaj przyłączonych słuchawek jest identyfikowany w układzie z rysunku 4, gdzie rezystor mikrofonowy 2,2kΩ jest połączony z niskoszumowym źródłem napięcia odniesienia kontrolera audio (U_MIK-ODN).

Skutkiem wsunięcia wtyczki do gniazdka, na rezystancji (niewidocznej na rysunku) pomiędzy końcówką wtyczki i masą pojawia się napięcie U_MIK-ODN, a na nieodwracającym wejściu MAX9063 napięcie U_WYKR. Rezystancja ta jest mała w przypadku słuchawek i duża w przypadku prądowego zasilania mikrofonu (100...800µA). Napięcie U_WYKR zależy od rodzaju przyłączonych słuchawek, a zidentyfikować je można za pomocą komparatora.

Przy założeniu, że napięcie odniesienia mikrokontrolera U_MIK-ODN wynosi 3V, obciążenie słuchawkami o impedancji 32Ω powoduje spadek napięcia U_WYKR do 43mV, natomiast przepływ prądu mikrofonowego o natężeniu 500µA wywołuje spadek napięcia U_WYKR do 1,9V.

Rys. 4. Układ z komparatorem, stosowany do wykrywania zestawu słuchawkowego

Trzeba tu zwrócić uwagę na fakt, że bezpośrednia detekcja U_WYKR w większości praktycznych wypadków może być kłopotliwa. Ponieważ wejścia CMOS wymagają poziomów logicznych powyżej 0,7•U_ZAS lub poniżej 0,3•U_ZAS, poziomy logiczne dla kontrolera zasilanego napięciem 3,3V powinny być wyższe od 2,3V lub niższe od 1V. Napięcia 1,9V generowanego przepływem prądu 500µA nie można uznać za poziom logiczny 1. Prąd polaryzacji mikrofonu od 100µA do 800µA generuje poziomy U_WYKR od 2,78V do 1,24V, a napięcia poniżej 2,3V przekraczają specyfikację UIH (poziom wejściowy wysoki przy założeniu R_POLAR = 2,2kΩ).

Dla osiągnięcia 2,3V lub więcej, natężenie prądu polaryzującego mikrofon nie może przekraczać 318µA. W przeciwnym wypadku trzeba zmienić rezystancję R_POLAR, co z kolei zmieni czułość mikrofonu. Uzyskanie poziomów logicznych 1V lub mniej jest łatwe, ponieważ typowe słuchawki 32Ω obniżą napięcie bez trudu.

W celu wykrycia rodzaju słuchawek należy doprowadzić U_WYKR do jednego z wejść komparatora, a do drugiego napięcie odniesienia. Wtedy stan wyjściowy komparatora wskazuje rodzaj słuchawek. Komparator do tego typu układu detekcji słuchawek powinien mieć bardzo małe rozmiary i odznaczać się małym poborem prądu. Komparator z układu na rysunku 4 charakteryzuje się powierzchnią jedynie 1×1mm, poborem prądu 1µA i odpornością na częstotliwości telefonów komórkowych. Charakteryzuje się wewnętrzną histerezą i małymi wejściowymi prądami polaryzacji. Dzięki tym cechom nadaje się doskonale do urządzeń zasilanych z baterii.

Styki detekcyjne

W większości przypadków zestawy słuchawkowe do telefonów zawierają rozłącznik (hook-switch), za pomocą którego rozpoczyna się i kończy rozmowę, manipuluje funkcjami wyciszania i wstrzymania oraz zawieszania bieżącej rozmowy na czas przeprowadzania drugiej. Mikrokontroler sterowany słuchawką musi rozróżniać stany rozłącznika, a także wykrywać obecność słuchawek. Obwody detekcji stanu rozłącznika słuchawek stereo z mikrofonem o 4-stykowej wtyczce zawierają równoległy rozłącznik (rys. 5). W podobnym rozwiązaniu dla wersji monofonicznej wystarcza wtyczka 3-stykowa. W obu przypadkach końcówka wtyczki jest połączona z mikrofonem i połączonym z nim równolegle rozłącznikiem.

Rys. 5. Układ z MAX9063, służący do wykrywania rozłącznika

Jak widać na schemacie, w rezultacie naciśnięcia rozłącznika pojawia się mała rezystancja, a w rezultacie zwolnienia rozłącznika, wysoka rezystancja mikrofonu. Ale wykrycie słuchawki (jak już wyjaśniono powyżej) komplikuje interfejs pomiędzy napięciem detekcji słuchawki i wejściami CMOS mikrokontrolera, utrudniając zaprojektowanie układu do wykrywania rozłącznika i mikrofonu.

Napięcie U_WYKR po naciśnięciu rozłącznika jest zwierane małą rezystancją do masy, co mikrokontroler przyjmuje za stan zerowy. Ale po zwolnieniu rozłącznika U_WYKR może nie spełniać wymagań UIH wejść CMOS.

Napięcie to może się mieścić w granicach pomiędzy 1,24V i 2,78V, zależnie od rezystancji R_MIK-ODN (w tym wypadku 2,2kΩ) i rodzaju mikrofonu w zestawie słuchawkowym. A zatem bezpośredniego interfejsu pomiędzy rozłącznikiem a kontrolerem nie da się zrealizować dla wszystkich mikrofonów. Można użyć komparatora i ustalić poziom odniesienia dla danego typu mikrofonu przy wykazywaniu stanu rozłącznika. Wyjście komparatora powinno przechodzić w stan wysoki, gdy rozłącznik jest naciśnięty oraz w stan niski, gdy rozłącznik jest zwolniony.

(KKP)