Crystal 音频PA diode选型

第1部分晶体振荡器
1.1晶振的分类
晶振：即所谓石英晶体谐振器（crystal无源晶振）和石英晶体振荡器（VCTXO有源晶振）的统称。

谐振器（无源晶振）一般分为插件（Dip）和贴片（SMD）。

插件又分为HC-49U、HC-49S、音叉型（圆柱）。

HC-49U一般称49U，有些采购俗称“高型”，而HC-49S一般称49S，俗称“矮型”。

音叉型按照体积分可分为3*9、3*8，2*6，1*5，1*4等。

贴片按尺寸大小可分为：7.0*5.0（7050）、6.0*3.5（6035）、5.0*3.2（5032）3.2*2.5、2.5*2.0等。

贴片按其脚位可分为4pin和2pin。

而振荡器（有源晶振）也是可以分为插件和贴片。

插件的可以按大小和脚位来分，例如所谓全尺寸的，又称长方形或者14pin，半尺寸的又称为正方形或者8pin。

不过要注意的是，这里的14pin和8pin都是指振荡器内部核心IC的脚位数，振荡器本身是4pin。

贴片按尺寸大小可分为7.0*5.0（7050）、5.0*3.2（5032）3.2*2.5、2.5*2.0等。

而从不同的应用层面来分，又可分为:普通晶振(OSC)，温补晶振（TCXO），压控晶振（VCXO），恒温晶振（OCXO）等。

1.2晶振的参数
1. 频率大小(Nominal Frequency)
频率越高一般价格越高。

但频率越高，频差越大，从综合角度考虑，一般会选用频率低但稳定的晶振，自己做倍频电路。

总之频率的选择是根据需要选择，并不是频率越大就越好。

要看具体需求。

比如基站中一般用10MHz的恒温晶振（OCXO），因其有很好的频率稳定性，属于高端晶振。

2.、频率稳定度(Frequency Tolerance)
指在规定的工作温度范围内，与标称频率允许的偏差，用ppm（百万分之一）表示。

一般来说，稳定度越高或温度范围越宽，价格越高。

对于频率稳定度要求±20ppm或以上的应用，可使用普通无补偿的晶体振荡器。

对于介于±1 至±20ppm 的稳定度，应该考虑温补晶振TCXO 。

对于低于±1ppm 的稳定度，应该考虑恒温晶振OCXO。

3.温度稳定性（Frequency Stability）
指在规定的工作温度范围内，与标称频率允许的偏差。

用ppm表示。

4.年老化率（Aging）
在规定条件下，晶体工作频率随时间而允许的相对变化。

以年为时间单位衡量时称为年老化率。

5.静电容（Shunt Capacitance）
等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容，通常用C0表示。

6.负载电容（Load Capacitance）
从石英晶振插脚两端向振荡电路方向看进去的全部有效电容为该振荡电路加给石英晶振的负载电容。

负载电容与石英晶振一起决定它的工作频率。

通过调整负载电容一般可以将振荡电路的工作频率调整到标称值，通常用CL表示。

晶振的选择一般最关注的参数有2个：
无源晶振（频率精度、负载电容）；
有源晶振（频率精度和供电电压），有一部分对温度稳定性有要求。

如果工作温度范围比较广，则会对工作温度范围有所要求，即所谓宽温。

1.3 晶振的等效电路及其应用电路举例
Crystal的等效电路如下，R1 我们称为Equivalent resistance等效阻抗或谐振阻抗，C1为Equivalent Capacitance晶振的固有电容，L1为Equivalent inductor晶振的固有电感，C0 为静电容（并电容，Parallel capacitance)。

有源晶振的应用电路如下，调整Cg, Cd （少数条件下可能调Rf、Rd）可以是使其谐振在标称值上。

第2部分音频PA
2.1 音频PA的分类
传统的数字语音回放系统包含两个主要过程：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；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。

1.A类放大器
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。

放大器可单管工作，也可以推挽工作。

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。

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％，且有较大的非线性失真。

由于效率比较低现在设计基本上不再使用。

2.B类放大器
B类放大器的主要特点是：放大器的静态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。

在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；
同理，当Vi为负半波正弦波(如图虚线部分所示)，所以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-0.6V~ 0.6V之间时， Q1 Q2都无法导通而引起的。

所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

3．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。

交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。

有效率较高，晶体管功耗较小的特点。

4. D类放大器
D类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲亮度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号，然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。

具有效率高的突出优点。

数字音频功率放大器也看上去就是一个一比特的功率数模变换器。

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(LC)等四部分组成。

D类放大或数字式放大器，系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。

2.2 音频PA的主要参数
1. 输出功率PO
功率放大器要输出足够大的功率PO以推动负载工作，但是由于供电电源，功放管的极限参数等因素的限制，功放的输出最大功率也受到限制。

2. 放大器效率η
功率放大器的效率定义为功率放大器的输出信号功率PO与直流电源供给功率放大器的功率PE之比，即
3. 总谐波失真THD+N
总谐波失真是指用信号源输入时，输出信号（谐波及其倍频成分）比输入信号多出的额外谐波成分，通常用百分数来表示。

4. 电源抑制比PSRR
电源纹波抑制比(power supply rejection rate)是音频放大器的输入测量电源电压的偏差偶合到一个模拟电路的输出信号的比值。

PSRR反映了音频功率放大器对电源的纹波要求，PSRR值越大越好，音频放大器输出音质就越好。

2.3 音频PA的选择原则
AB类放大器的特性是线性的，对于具备丰富和弦铃声和免提功能的主流电话来说，AB 类放大器是首选的音频放大器。

它是低噪声放大器，也往往是个成本较低的解决方案，适合于移动电话设计。

它不会受到电源噪声的影响，而且，也不会干扰在同一个(PCB)上的射频系统。

像GSM这样的TDMA电话，在消耗电流的传输信号过程中，电池电压会波动。

在把音频放大器接到电池上时，需要极好的电源抑制比（PSRR），来抑制TDMA的高频谐波/ /噪声，这个噪声会破坏音频输出。

用来驱动电阻为8欧姆或者4欧姆的扬声器的AB类音频放大器，在频率为217Hz时，它的PSRR在-80dB到-85dB之间。

除了PSRR外，THD+N是另一个非常重要的参数，它说明了输出音频信号的清晰度，是用百分比的形式来表示的。

对于低输出功率来说，THD+N的值不能超过0.1%。

随着输出功率的增加，输出信号和噪声都放大了，THD+N的值也就变差了。

使用AB类音频放大器时的节能方案——缩短开启和关闭的时间，来延长电池的使用寿命。

AB类放大器是工作在线性状态下，它的最大效率大约是70%。

为了延长电池的使用寿命，应该使用节能的办法。

当把音频放大器用在功率更大的产品上时（例如，铃声、电话使用扬声器时），在没有音频输出时就应该把音频放大器关掉。

这样做可以充分发挥AB类放大器在关闭状态时电流小的优点。

在NCP2892A的例子中，关机电流一般只有10nA。

对于开机时间很短的新一代AB类音频放大器，就可以做到这点。

NCP2892A与市场上其他类似的产品一样，在使用电容量为1μF的旁路电容器时，开机时间一般需要100ms。

多媒体移动平台：D类放大器AB类音频放大器是个低噪声的解决方案，同时，它也是市面上价格最低的解决方案。

然而，它的效率很低，因此会产生大量的热量，所以它不适合大功率的音频应用。

对于3G手机，一般都会兼具视频播放器、MP3播放器、电视机、还有便携游戏机等功能，这时，D类放大器会是一个较好的解决方案。

因为它能够为8欧姆的扬声器提供超过1.4W的功率，效率很高（在THD+N最大为1%的情况下）。

在这个例子中，需要利用D类放大器输出很大功率，以支持1W以上输出功率的扬声器。

下图对D 类放大器NCP2820与典型的AB类放大器的效率特性曲线作了比较。

在输出功率超过50mW 时，NCP2820的效率很快地上升到80%，然后，随着输出功率上升到1.4W，效率也随之提高到85%至90%。

尽管标准的8欧姆扬声器不允许它的输出功率高于1W，而且AB类放大器仍然是目前的主流产品；但是D类放大器的效率很高，可以延长这种最大输出功率高达700mW的低功耗产品的电池使用寿命。

这对于具有内置多功能的移动电话来说，特别重要。

图中当输出功率从50mW上升到1.4W时，D类放大器的效率达到80%至90%。

由于便携扬声器的频率响应，低频信号减弱了。

D类放大器所提供的额外的功率可以保证很强的低音音频信号——在玩游戏和播放其他的声音时需要这种低音音频信号。

由于D类放大器是工作开关状态（在NCP2820中是PWM），减少EMI是衡量设计优劣的一个重要标准。

PCB上很长的走线就像天线，会把开关信号传送给周围的射频系统。

为了降低对射频电路的影响，建议使用铁氧体磁珠或者专门的EMI滤波器。

因为它工作在PWM开关模式，消耗的待机电流较大，所以，闲置时把音频放大器关掉，这样达到节能的目的，同时还能够减少潜在的EMI辐射。

2.4 手机中常用的AB类和D类音频PA的优缺点
AB类放大器由于是线性放大器，音频性能好，THD+N很低，PSRR的绝对数值很高，此外，它没有噼啪声和咔嗒声，或者这种噪声很小，可以忽视。

它的开启时间和关闭时间都很短，可以实现节能的方案。

在没有多媒体特性的低档和中档手机里，仍将采用AB类放大器。

但AB类放大器有个致命弱点，就是效率比较低，随着3G网络的蓬勃发展，要求多媒体电话同样地蓬勃发展。

MP3和视频/电视节目播放功能将是新一代电话须具备的功能，那些耗电量很大的基带芯片组以及应用处理器将把效率作为选择音频放大技术的重要标准。

因此，这些移动电话设计将选择高效率的D类放大器。

但D类放大器因其应用开关控制放大，其不足的是可能会带来失真和噪声，另外容易引起EMI的问题，所以设计时应该重点关注这些问题。

第3部分二极管
3.1半导体二极管的结构、符号及类型
1.结构符号
二极管的结构外形及在电路中的文字符号如下图所示,在下图(b)所示电路符号中,箭头指向为正向导通电流方向。

2．类型
（1）按材料分:二极管按其使用的半导体材料可分为锗(Ge)二极管、硅二极管和砷化镓（GaAs）二极管、磷化镓（GaP）二极管等。

（2）按结构分:根据PN结面积大小,有点接触型、面接触型二极管。

（3）按用途分:二极管按其用途和功能可分为普通二极管、精密二极管、整流二极管、快恢复二极管、检波二极管、开关二极管、阻尼二极管、续流二极管、稳压二极管、发光二极管、激光二极管、光敏二极管、变容二极管、双向击穿二极管、磁敏二极管、肖特基二极管、双向击穿二极管、温度效应二极管、隧道二极管、双向触发二极管、体效应二极管、恒流二极管等多种。

（4）按封装形式分: 二极管按其封装形式可分为塑料封装（简称塑料）二极管、玻璃封装（简称玻封）二极管及金属封装（简称金封）二极管、片状二极管及无引线圆柱形二极管等。

（5）按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管。

（6）按工作频率分：二极管按工作频率可分为高频二极管和低频二极管。

3.2半导体二极管的伏安特性
半导体二极管的核心是PN结,它的特性就是PN结的特性——单向导电性。

常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。

若以电压为横坐标,电流为纵坐标,用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线连接起
来,就构成二极管的伏安特性曲线,如下图所示（图中虚线为锗管的伏安特性,实线为硅管的伏安特性）。

下面对二极管伏安特性曲线加以说明。

1. 正向特性
二极管两端加正向电压时,就产生正向电流,当正向电压较小时,正向电流极小（几乎为零）,这一部分称为死区,相应的A(A′)点的电压称为死区电压或门槛电压(也称阈值电压),硅管约为0.5V,锗管约为0.1V,如上图中OA(OA′)段。

当正向电压超过门槛电压时,正向电流就会急剧地增大,二极管呈现很小电阻而处于导通状态。

这时硅管的正向导通压降约为0.6~0.7V,锗管约为0.2~0.3V,如上图中AB(A′B′)段。

二极管正向导通时,要特别注意它的正向电流不能超过最大值,否则将烧坏PN结。

2. 反向特性
二极管两端加上反向电压时,在开始很大范围内,二极管相当于非常大的电阻,反向电流很小,且不随反向电压而变化。

此时的电流称之为反向饱和电流I R,见上图中OC（OC′）段。

3. 反向击穿特性
二极管反向电压加到一定数值时,反向电流急剧增大,这种现象称为反向击穿。

此时对应的电压称为反向击穿电压,用U BR表示,如上图中CD(C′D′)段。

4.温度对特性的影响
由于二极管的核心是一个PN结,它的导电性能与温度有关,温度升高时二极管正向特性曲线向左移动,正向压降减小;反向特性曲线向下移动,反向电流增大。

3.3 半导体二极管的主要参数
二极管参数是反映二极管性能质量的指标，必须根据二极管的参数来合理选用二极管。

1. 最大整流电流I FM
I FM是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值，由PN结的面积和散热条件所决定。

工作时，管子通过的电流不应该超过这个数值，否则将导致管子因过热而损坏。

2. 最大反向工作电压U RM
U RM是指二极管不击穿所允许加的最高反向电压，超过此值二极管就有被反向击穿的危险。

U RM通常为反向击穿电压的1/2～1/3，以确保二极管安全工作。

3.最大允许功耗P DM
功耗是流过二极管的电流与二极管的两端电压的乘积，该功率转化为热能。

如果二极管的实际功耗超过了最大允许功耗P DM，二极管会因为过热而损坏。

这个极限参数对稳压二极管，可变电阻二极管显得特别重要。

4. 最大反向电流I RM
I RM是指二极管在常温下承受最高反向工作电压URM时的反向漏电流，一般很小。

I RM 受温度影响较大，当温度升高时，I RM显著增大。

5. 直流电阻R D
R D是指二极管两端所加直流电压与流过它的直流电流之比。

6. 极间电容
我们知道二极管具有容易从P型向N型半导体通过电流，而在相反方向不易通过的的特性。

这两种特性合起来就产生了电容器的作用，即蓄积电荷的作用。

蓄积有电荷，当然要放电。

放电可以在任何方向进行。

而二极管只在一个方向有电流流过这种说法，严格来说是不成立的。

这种情况在高频时就明显表现出来。

因此，二极管的极电容以小为好。

7. 最大浪涌电流Isurge
允许流过的过量的正向电流。

它不是正常电流，而是瞬间电流，这个值相当大。

8. 反向恢复时间
从正向电压变成反向电压时，理想情况是电流能瞬时截止，实际上，一般要延迟一点点
时间。

决定电流截止延时的量，就是反向恢复时间。

虽然它直接影响二极管的开关速度，但不一定说这个值小就好。

9. 最高工作频率f M
f M是指保持二极管单向导通性能时，外加电压允许的最高频率。

二极管工作频率与PN 结的极间电容大小有关，容量越小，工作频率越高。

手机中常用二极管选型
1.续流二极管
续流二极管都是并联在线圈的两端，线圈在通过电流时，会在其两端产生感应电动势。

当电流消失时，其感应电动势会对电路中的原件产生反向电压。

当反向电压高于原件的反向击穿电压时，会把原件如三极管，等造成损坏。

续流二极管并联在线两端，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。

丛而保护了电路中的其它原件的安全。

在电路中反向并联在电感线圈的两端，当电感线圈断电时其两端的电动势并不立即消失，此时残余电动势通过一个二极管释放，起这种作用的二极管叫续流二极管。

其实还是个二极管只不过它在这起续流作用而以。

经常和储能元件一起使用，防止电压电流突变，提供通路。

电感可以经过它给负载提供持续的电流，以免负载电流突变，起到平滑电流的作用！在手机的马达电路中，就能见到一个由二极管和电阻串连起来构成的的续流电路。

这个电路与马达线圈并联。

当软件关断管关断马达时，续流电路可以释放掉马达线圈中储存的能量，防止感应电压过高，击穿器件。

在图中，马达转动时，马达pin2电压为正pin1为负，电流方向由上向下。

在马达关
断时，马达线圈中电流突然中断，会产生感应电势，其方向是力图保持电流不变，即总想保持马达线圈的电流方向为由上至下。

加上D101，将线圈中产生的感应电势短路掉，可见“续流二极管”并不是一个实质的元件，它只不过在电路中起到的作用称做“续流”。

此处我们一般选择快速恢复二极管或者肖特基二极管就可以了，用来把线圈产生的反向电势释放掉！
2. 齐纳二极管
MTK 6253 6235 6239 6223等平台由于芯片制成原因，芯片本身VBAT抗浪涌电压的能力较弱，时常发生产线或测试过程中外接稳压电源时烧坏芯片，为降低损坏芯片的几率，我们在手机电池连接器处VBAT与GND之间上并联一颗5.1V齐纳二极管，如下图D202，来抑制浪涌电压。

因为VBAT电压最大一般为4.2V，此处选用保护VBA T的齐纳二极管电压参数应该比VBAT最大电压稍高，为5.1V，同时还需要考虑瞬时最大耗散功率。

3. 发光二极管
发光二极管在日常生活电器中无处不在，它能够发光，有红色、绿色、白色、蓝色和黄色等。

手机电路中，LCD背光，键盘灯，呼吸灯，矩阵灯等等处都会用到大量发光二极管。

注意发光二极管是一种电流型器件，虽然在它的两端直接接上3V的电压后能够发光，但
容易损坏，在实际使用中一定要串接限流电阻，工作电流根据型号不同一般为1mA到30mA。

选择发光二极管首先要确认发什么颜色的光，还需要重点关注如下几个参数
对于呼吸灯和矩阵灯用到LED灯阵的情况，要特别关注同一个手机主板上灯的显示颜色和亮度要一致，这个需要LED厂商控制，提供相同bin code的LED灯。

4. TVS瞬态电压抑制二极管
瞬态电压抑制二极管(TVS)又叫钳位二极管，是目前手机上普遍使用的一种高效能电路保护器件，它的外型与普通二极管相同，但却能吸收高达数瓦的浪涌功率，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二极管便产生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流透过二极管被引开，避开被保护元件，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
二极管自动回覆高阻状态，整个回路进入正常电压。

许多元件在承受多次冲击后，其参数及性能会产生退化，而只要工作在限定范围内，二极管将不会产生损坏或退化。

从以上过程可以看出，在选择TVS二极管时，必须注意以下几个参数的选择：
1.最小击穿电压VBR和击穿电流I R 。

VBR是TVS最小的击穿电压，在25℃时，
低于这个电压TVS是不会产生雪崩的。

当TVS流过规定的1mA电流(IR )时，加于TVS
两极的电压为其最小击穿电压V BR 。

按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把VBR分为5％和10％两种。

对于5％的VBR来说，V WM =0.85VBR；对于10％的VBR来说，V WM =0.81VBR。

为了满足IEC61000-4-2国际标准，TVS二极管必须达到可以处理最小
8kV(接触)和15kV(空气)的ESD冲击，部份半导体厂商在自己的产品上使用了更高的抗冲击标准。

对于某些有特殊要求的可携设备应用，设计者可以依需要挑选元件。

2.最大反向漏电流ID和额定反向切断电压VWM。

VWM是二极管在正常状态时可承受的电压，此电压应大于或等于被保护电路的正常工作电压，否则二极管会不断截止回路电压；但它又需要尽量与被保护回路的正常工作电压接近，这样才不会在TVS工作以前使整个回路面对过压威胁。

当这个额定反向切断电压VWM加于TVS的两极间时它处于反向切断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流ID。

3.最大钳位电压VC和最大峰值脉冲电流I PP 。

当持续时间为20ms的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两端出现的最大峰值电压为VC。

V C 、IPP反映了TVS的突波抑制能力。

VC与VBR之比称为钳位因子，一般在1.2~1.4之间。

VC是二极管在截止状态提供的电压，也就是在ESD冲击状态时通过TVS的电压，它不能大于被保护回路的可承受极限电压，否则元件面临被损伤的危险。

4. Pppm额定脉冲功率，这是基于最大截止电压和此时的峰值脉冲电流。

对于手持设备，一般来说500W的TVS就足够了。

最大峰值脉冲功耗PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功耗值。

在特定的最大钳位电压下，功耗PM越大，其突波电流的承受能力越大。

在特定的功耗PM下，钳位电压VC越低，其突波电流的承受能力越大。

另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。

而且，TVS所能承受的瞬态脉冲是不重覆的，元件规定的脉冲重覆频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01％。

如果电路内出现重覆性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，有可能损坏TVS。

5. 电容器量C。

电容器量C是由TVS雪崩结截面决定的，是在特定的1MHz频率下测得的。

C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C太大将使讯号衰减。

因此，C是数据介面电路选用TVS的重要参数。

电容器对于数据/讯号频率越高的回路，二极管的电容器对电路的干扰越大，形成噪音或衰减讯号强度，因此需要根据回路的特性来决定所选元件的电容器范围。

高频回路一般选择电容器应尽量小(如 LCTVS、低电容器TVS，电容器不大于3pF)，而对电容器要求不高的回路电容器选择可高于40pF。