現今手機的耳機插孔傾向於標準化，而不像以往每個廠家依據不同的標準來開發產品。以往只有設計公司才知道8針插孔、12針插孔以及更複雜插孔的確切規格。即使同一家公司也可能採取多種標準來製造耳機。耳機一旦丟失，將給使用者造成極大的不便。
3.5毫米耳機標準 OMTP/CTIA並立
從標準化及一般性角度出發，各大聯盟公司攜手制定相關的技術標準，並就3.5毫米(mm)耳機達成共識。標準基於特定順序的針腳，可以細分為採用L/R/M/G順序的歐盟OMTP(開放行動終端平台)標準及採用L/R/G/M順序的美國CTIA(行動通訊產業協會)標準。主要的區別在於兩者間的GND和MIC順序相反。接著，探討這些歐美主流手機廠商根據不同耳機標準及市場需求所進行的設計。
若手機支援歐盟標準耳機，耳機連接器的針腳3為MIC，針腳4為接地；相應的R1=0歐姆(Ω)，R2=NC(不連接)，R3=0歐姆，R4=NC。另一方面，若手機支援美國標準，則連接器的針腳3為接地，針腳4為MIC；相應的R1=NC，R2=0歐姆，R3=NC，R4=0歐姆(圖1)。若有特定需要，該模式可以拿來實現歐盟標準或美國標準的耳機。鑑於很多手機支援調頻(FM)收音功能，GNDA通常用於接地並透過電感或鐵氧體磁珠(Ferrite Beads)使手機真正接地。
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| 圖1 基於歐盟標準及美國標準的0歐姆電阻耳機解決方案 |
以下分析該設計對使用者及設計者的影響。首先，為支援基於不同標準的各種耳機，使用者需要不同標準的耳機用於不同類型的手機，這樣一來耳機費用將會增加，通用性亦會大幅降低。尤其是對於那些音樂愛好者，若更換其現有手機，將不得不放棄自己已經擁有的昂貴耳機，再購買新耳機。這將導致使用者體驗不佳。
其次，設計及維護費用會增加。為滿足不同需求，根據歐盟標準及美國標準設計耳機，設計者將增加更多的周邊元件，如0歐姆電阻，從而增加設計的複雜性。與此同時，同樣的手機須有針對不同市場的物料清單(BOM)，而不同物料清單將會使維修花費更多。
第三個影響是，無法區分三節與四節耳機。若不經過耳機三節/四節檢測就將三節耳機插入使用者手機，在檢測到耳機插入後，手機將立即導通MICBIAS電壓，並因此在系統中形成0.5毫安培(mA)的待機電流。若使用者忘記拔掉耳機，則它會大幅增加待機功耗，減少待機時間。由於系統未判斷耳機是否為三節，若在此期間有來電，則會出現使用者可以聽到對方的聲音，而呼叫者聽不到接聽者聲音的情況。
相容三節/四節耳機 自動檢測/配置設計不可或缺
考慮兩種耳機標準之間的差異，設計者須對手機進行相容性設計，使手機支援兩種類型的耳機插孔，為使用者提供更便利的體驗。為應對這種特殊情況，半導體廠商積極開發相關產品，例如快捷半導體(Fairchild)的FSA8049元件的耳機檢測及自動配置便是基於硬體的解決方案，其1.16毫米×1.16毫米的極小尺寸即可滿足可攜式電子產品的需求。
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| 圖2 駐極體麥克風內部電路 |
如何判斷麥克風的MIC和GND，則是亟待解決的問題。眾所周知，標準四節3.5毫米耳機是駐極體(Electret)，它由一個膜片及單結型場效應電晶體(FET)組成(圖2)。電荷固定在膜片時，聲壓將振動膜片以改變膜片振動板的距離，從而改變電容C。根據「Q=CV」的原則，C的變化將導致膜片兩端電壓V的變化。由於這些變化的訊號非常微弱，不能直接使用，而須要透過外部電路進行放大。
FET及外部偏壓電路R1與VS共同組成放大電路，該電路會放大從膜片獲得的微電子訊號，並透過直流電(DC)阻斷電流Cout將其輸出。C1及C2可抑制射頻雜訊。例如快捷半導體為耳機插孔開發的FSA8049專用晶片，可憑藉其在MIC+/MIC-上正向偏壓及反向偏壓的不同表現，有效利用麥克風放大器電路的FET。並且借助自動配置內部電路來實現自動辨識及配置，快速準確地自動判斷MIC+/MIC-。利用這種方式，該元件可透過硬體辨識耳機是否為歐盟標準或美國標準，並在無軟體干預的情況下自動配置耳機。
接著探討上述FSA8049解決方案的結構及其應用(圖3)。EN藉由基頻晶片的GPIO輸出，並透過活動狀態時上拉及停用狀態的下拉來最小化晶片功耗。此時晶片的整體電流消耗為100奈安培(nA)。CEXT可以暫時停用或連接到外部電容，以便確定內部MIC/GND開關的慢速打開/關閉時間。
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| 圖3 FSA8049的結構及應用 |
MIC針腳將透過該系統的MICBIAS(與FET的MIC一起，組成初級放大器電路來放大MIC的微小訊號)上拉從耳機接收的微小訊號，並將該訊號輸出到該系統的MIC。然後，由系統內的前置放大器放大該訊號，再輸送到音訊處理系統。
接下來，探討晶片如何工作，說明晶片的工作原理。首先，晶片通電穩定且工作狀態良好。若EN設置為上拉，MIC+/MIC-檢測電路進入檢測狀態，並等待要插入的裝置。若MIC/GND1及MIC/GND2暫時停用(無裝置插入)，則檢測電路將進入預先設定的預設狀態。
若測得的MIC/GND1針腳及MIC/GND2針腳的電壓均為0伏特(V)，這表示有三節耳機插入，該檢測結果將被傳送到基頻晶片。若四節耳機插入，MIC/GND1針腳的電壓將會變化。然後，檢測電路將根據電壓波動的範圍開始檢測並判斷插入的耳機是歐盟標準抑或美國標準，整個判斷過程約50毫秒。
接著，根據檢測結果，檢測電路會自動透過內部開關切換到適當通道。雖然基頻晶片不執行任何操作，但其可自動判斷及自動切換，使耳機正常工作，毋須考慮歐盟標準或美國標準間的差異。圖4所示為順序圖，須注意的是，在檢測電路檢測插入耳機的標準前，內部MIC通道和GND通道將關閉，不連接到MIC/GND1或MIC/GND2。
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| 圖4 FSA8049晶片工作順序 |
分立式方案 提供其他解法
除了以上的整合式解決方案外，還有其他可實現該功能的分立式解決方案，如圖5所示為現行的分立式解決方案。
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| 圖5 識別符合歐盟標準或美國標準耳機的分立式解決方案 |
圖5的工作原理如下。首先，將耳機正確配置並插入相應的插孔中，類比數位轉換器(ADC)檢測並記錄MIC的電壓V1以及未將耳機插入MIC插孔時MIC的電壓V2。其次，開機並使用雙通道類比開關Sel使能B0通道。
然後，使用ADC來監測MIC的電壓。若該電壓不等於V2，這意味著有耳機插入MIC。若ADC中斷，它會報告給AP，以便處理並記錄終端電壓V3。
最後，根據所檢測到的MIC終端電壓，應用處理器做出相應判斷。若V3等於V1，則插入耳機的針腳順序為L、R、MIC、GND。
若V3不等於V1，它會透過Sel啟用B1通道，並檢測MIC終端電壓V3。若V3等於V1，則插入耳機的針腳順序為L、R、GND、MIC。若V3不等於V1，該插入三節耳機的針腳順序為L、R、GND。此時，耳機辨識及通道配置已在耳機及行動電話之間建立正確的工作模式。
該解決方案在理論上及實踐上是可行的，但與前述的耳機插孔專用晶片相比，仍有差異。第一，它須要使用軟體，占用應用程式處理器處理時間，占用ADC系統資源，以及增加設計與調試的複雜性。與此相反，耳機插孔專用晶片透過純粹的硬體方法自動辨識及自動判斷，而在整個過程中無需應用處理器介入，從而可簡化設計並減少調試時間。
其次，分立式方案需要一直使能手機MICBIAS，並與MICBIAS共同完成耳機辨識。若MICBIAS變化，則須重新配置及重新調試。此外，對於蘋果(Apple)流行的高檔耳機，MIC經數位化，MICBIAS需要更高的電壓。這使蘋果耳機難以相容歐盟或美國標準的普通耳機。FSA8049開關辨識機制無須MICBIAS參與。經實踐證明，它可以相容時下所有流行的耳機，而同樣的設計可以移植到其他項目。與此同時，由於將耳機插入到耳機插孔時，FSA8049元件不使用內部類比開關，MICBIAS有足夠的時間來為阻斷電容充電，從而防止在插入耳機時產生劈啪聲與喀噠聲。
第三個差異在於高設計成本。考慮到耳機GND與手機真正GND間的阻抗須要最小化，須要根據類比開關的最低導體電阻的來選擇通道。與FSA8049元件中的100m-ohm開關相比，類比開關的整體成本接近甚至高於FSA8049解決方案。
(本文作者任職於快捷半導體)