目前考慮到耳機使用者的體驗，用於智慧型手機的標準3.5毫米(mm)音訊插孔耳機的設計變得越來越重要。本文分析現有耳機檢測解決方案中存在的五大難題，包括漏電流大、傳送/終止按鍵卡住、在風大或雜訊環境中易發生按鍵檢測錯誤、音訊雜訊(劈啪(Pop)及喀噠(Click)聲)，以及軟體開發的複雜性。
本文提出一個能夠解決這些問題的創新型解決方案，同時該解決方案與目前常見的多按鍵遙控耳機相容，能夠檢測多種按鍵按下，比如傳送/終止鍵單次、兩次、三次按下，以及音量調高/調低按鍵短按、長按、長按釋放。另外，該解決方案還針對不同場景提供一些擴展功能，很大程度上豐富終端客戶的使用者體驗。
目前智慧型手機的標準配置通常包含兩個附件接口，一個通用序列匯流排(USB)接口及一個標準3.5毫米音訊插孔。USB接口通常用於資料通訊及充電，而音訊插孔與做為智慧型手機基本附件的耳機一起使用。由於智慧型手機變得越來越同類化，對於每個智慧型手機廠商而言，如何為終端使用者提供獨特、最優的體驗成為一個很重要的問題。
過去有兩種常見的耳機，一種是不帶麥克風的三節立體聲耳機，另一種是帶麥克風的四節耳機。與三節立體聲耳機不同，四節耳機還配備額外的傳送/終止按鍵。最新的趨勢是帶有音量調高/調低功能的遙控耳機。這種新型耳機不僅具有標準四節耳機的所有功能，還多兩個功能按鍵，為音量調高/調低按鍵。
傳統耳機檢測方案不盡理想
現有智慧型手機的基頻處理器或音訊轉碼器也許能夠支援耳機插入/拔出及傳送/終止按鍵按下的檢測。然而，這些設計通常會面臨很多問題，比如，較大的漏電流、錯誤檢測及音訊雜訊(劈啪及喀噠聲)。在能夠檢測音量調高/調低按鍵的現有解決方案中，有些需要複雜的比較器電路，有些須要在耳機及行動電話主板上配置兩個專用通訊晶片，有些還必須使用類比數位轉換器(ADC)檢測。
一個常見解決方案採用多個比較器，但是該解決方案有些冗長、複雜，雜訊抑制能力較弱。採用兩個通訊晶片的專用解決方案極其複雜，並且僅限於一種專用耳機。ADC採樣解決方案成本效益較低，並且其ADC採樣電路功耗較大，這容易造成檢測錯誤，除非使用複雜的軟體演算法實現正確檢測及雜訊抑制。
為解決這些難題，半導體廠推出新一代耳機檢測解決方案，支援帶有音量調高/調低按鍵的遙控耳機。透過在音訊插孔、基頻處理器及麥克風前置放大器之間增加一個音訊插孔檢測晶片，新式解決方案能夠自動檢測插入到音訊插孔中的耳機類型，並顯著減小系統漏電流及印刷電路板(PCB)尺寸。該解決方案還能夠消除由麥克風偏壓導致的插入/拔出的劈啪及喀噠聲，並支援傳送/終止按鍵及音量調高/調低按鍵的多種檢測，包括傳送/終止按鍵的單次、兩次及三次按下，音量調高/調低按鍵的短按、長按及長按釋放。
耳機檢測方案設計考驗多 受比較器/電阻/電容設定影響
現有音訊插孔檢測解決方案大多由分立式元件組成，部分或全部分立式元件整合在基頻處理器或音訊轉碼器內部。這些解決方案通常由比較器、電阻及電容組成，如圖1所示。這樣的設計通常包含一些固有的缺陷，可能導致各種問題，如相對較大的漏電流、音傳送/終止鍵卡住而造成的錯誤檢測、在風大或雜訊環境下多按鍵的錯誤檢測，以及音訊雜訊(劈啪及喀噠聲)。雖然有些問題可以透過軟體解決方案解決，但通常需要極複雜的演算法。
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| 圖1 用於檢測耳機插入/拔出及多按鍵的常用解決方案 |
如圖1所示，電路中的比較器具有兩項功能，(1)區分三節耳機及四節耳機；(2)檢測傳送/終止按鍵的按下。若一個三節耳機插入到音訊插孔中，MIC接腳被拉低至地，比較器傳送一個低位準訊號給基頻。若一個四節耳機插入到音訊插孔中，MIC接腳產生一個1.8?3.3伏特(V)的偏壓。如果傳送/終止按鍵沒有按下，則會傳送一個高位準給基頻。如果傳送/終止按鍵按下，則會傳送一個低位準。
上述應用針對不帶音量調高/調低按鍵的普通三節或四節耳機。對於帶有音量調高/調低按鍵的遙控耳機，需要在MIC接腳增加兩個比較器，用於檢測音量調高/調低按鍵的按下。音量調高/調低按鍵的檢測原理與傳送/終止按鍵的檢測原理類似。在音量調高/調低按鍵與耳機GND接腳之間連接兩個具有不同電阻值的電阻器。如果音量調高/調低音量按下，MIC會獲得不同的分壓。因此，多個比較器會輸出具有不同高/低位準值的結果。這種基本設計會導致以下五大難題：
較大的漏電流
首先，如圖1中的I2所示，用於設定比較器參考電壓的電阻分壓器直接連至電源，這樣即使沒有耳機插入到音訊插孔中，也總是存在28微安培(μA)的漏電流。其次，比較器自身通常有一個靜態電流(通常為20微安培)。
最後，如果插入一個四節耳機，如圖1中的I1所示，假定麥克風的接地阻抗約為2kΩ，由MIC偏壓電路透過RMIC(2.2kΩ)以及麥克風至接地的迴路消耗的電流為500微安培。無論是否使用麥克風，比如MP3模式下，總是存在這樣的電流。
傳送/終止按鍵卡住造成的檢測錯誤
若一個四節耳機插入到音訊插孔中但傳送/終止按鍵卡住而短接至GND，該耳機可能被誤認為是一個三節耳機。基頻處理器則會啟用行動電話主板上的主麥克風並禁用耳機麥克風的前置放大器電路。因此，即使暫時卡住的傳送/終止按鍵自動恢復，系統也將不能恢復耳機麥克風。
有風或雜訊環境下按鍵的錯誤檢測
一旦檢測到偏壓，耳機麥克風就能成功啟動。在有風或雜訊環境下，麥克風上會產生一些雜訊。這些雜訊的最小值可能觸發比較器的低臨界值，從而導致比較器錯誤檢測低位準訊號並使基頻處理器誤認為進行按鍵按下。當只使用一個比較器時，這個問題不是很明顯。對於帶有三個比較器的遙控耳機來說，上述臨界值問題非常嚴重，因為每個比較器需要的分壓空間不同。對於一些透過電流源檢測按鍵按下的解決方案來說，可能會受到不同麥克風的不同漏電流值的影響。
音訊雜訊(劈啪及喀噠聲)
原來有段時間認為行動電話中的劈啪及喀噠聲是由耳機左右音訊通道上的直流阻隔電容器充放電導致的。然而，現在很多音訊轉碼器或基頻處理器採用無電容直接驅動音訊通道，因此去掉直流阻隔電容，不會導致任何音訊雜訊。實際上，劈啪及喀噠聲是由耳機的插入/拔出導致的。麥克風通常位於耳機的第三或第四節上。當耳機快速插入或拔出時，左右音訊通道的耳機擴音器終端會刮擦MIC偏壓電路，導致劈啪及喀噠聲。
軟體開發的複雜性
一般的解決方案僅僅基於這些分立式元件，並且需要很多不同的軟體計時器以及一個數位濾波器演算法，來延遲控制以下功能：插入/拔出；傳送/終止按鍵的單次、兩次和三次按下；音量調高/調低按鍵的短按、長按和長按釋放。這些解決方案極其複雜。任何參數設定不當都會導致檢測錯誤。這無疑會增加系統設計及軟體開發的複雜性並導致較差的使用者體驗。
新增音訊插孔檢測電路/開關 克服耳機錯誤檢測問題
如圖2所示，新一代耳機檢測解決方案主要是在耳機及基頻處理器或音訊轉碼器之間，增加了一個音訊插孔檢測電路及一個MIC類比開關。檢測電路用來檢測插入/拔出，而MIC開關用來檢測多種按鍵按下並控制漏電流、錯誤檢測及音訊雜訊。
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| 圖2 新一代音訊插孔檢測方案電路架構 |
這類設計的耳機解決方案極其簡單並且成本效益高，設計人員只需在耳機MIC和GND接腳之間增加兩個常見的小電阻。該解決方案還能夠檢測傳送/終止按鍵通常為開(NO)還是關(NC)。
該解決方案中推薦的遙控耳機電阻設定如下所示：(1)至傳送/終止按鍵接地間的電阻範圍在0～105歐姆之間；(2)至音量調高按鍵接地間的電阻範圍在139～279歐姆之間；(3)至音量調低按鍵接地間的電阻範圍在330～680歐姆之間。目前市場上，多數遙控耳機的電阻設定如下所示：傳送/終止按鍵約為0歐姆、音量調高按鍵約為200歐姆、音量調低按鍵約為600歐姆，電阻精度為±1%。因此，採用新式解決方案的智慧型手機能夠完全相容市場上現有的常見遙控耳機，並解決方案中存在的五大問題。
減少漏電流
半導體商將比較器、MIC偏壓電路、類比開關及邏輯檢測電路整合到一個元件中，有助於大幅減小系統電流。對於帶有三個比較器的多按鍵應用而言，最大漏電流高達144微安培。最壞情況下，新式耳機檢測方案的最大功耗僅為35微安培，至少減少75%的漏電流，同時，還能檢測音訊插孔的插入/拔出。若拔出音訊插孔，檢測開關自動進入低功率模式。這時，最大功耗僅為1.5微安培，節能高達99%。
例如，在MP3模式下，傳送/終止按鍵用於播放及暫停，而毋須麥克風進行任何工作。在現有解決方案中，須要設計MIC偏壓電路，以識別傳送/終止按鍵的按下，而MIC偏壓電路透過RMIC及麥克風產生超過500微安培的漏電流。
新式耳機檢測方案透過間歇性監控傳送/終止按鍵的按下來減少漏電流，從而高速導通/關斷內部MIC類比開關。在「導通」時段，MIC偏壓電路工作，以識別按鍵按下。在「關斷」時段，MIC偏壓電路被隔離，因此不存在MIC偏壓電路產生的500微安培漏電流。監控的工作週期比為10/90，與現有解決方案相比，能夠為系統節省90%的能量。
克服傳送/終止按鍵卡住造成的錯誤
對於傳送/終止按鍵卡住的四節耳機而言，最初的檢測結果可能為三節耳機，但快捷半導體的解決方案此時透過持續監控MIC接腳電壓解決這個問題。即使一個四節耳機被誤認為是一個三節耳機，新式耳機檢測解決方案的專用電路會定期快速導通MIC類比開關。
這時，如果MIC接腳的電壓仍等於GND電壓，則連接的仍是三節耳機。如果MIC接腳的電壓超過200毫伏特(mV)，則插入的是四節耳機。快捷半導體的解決方案能夠透過內部整合電路(I2C)中斷識別變化，並傳送更新後的檢測結果至基頻。因此，智慧型手機能夠從錯誤檢測中恢復過來，耳機麥克風能夠正常工作。
克服有風或雜訊環境中的按鍵錯誤
對於適用於遙控耳機的三比較器解決方案而言，每個比較器需要特定的分壓空間，而總分壓空間範圍僅為0伏特至電池電壓。在有風或雜訊環境下，電池總電壓(2.7～4.35伏特)的分壓空間容易導致按鍵錯誤檢測。
如圖3所示，新式耳機檢測解決方案整合三個比較器：COM1、COM3和COM4(COM2用於檢測正常關閉的傳送/終止按鍵)。由於臨界值不是由常見的分壓電阻產生，因此它們不會隨電池電壓(2.7～4.35伏特)的變化而波動。臨界值只是由內部I2C暫存器設定。每個比較器有十六階梯臨界值，可根據需要設定。設計非常簡單、容易。另外，新式解決方案還在內部整合數位音訊濾波器及217Hz GSM音訊濾波器。它們可有效過濾MIC通道上的雜訊，確保正確檢測。
消除音訊雜訊(劈啪及喀噠聲)
根據不同的設計，MIC接腳可以連線至三節或四節耳機，前者是開放行動終端平台(OMTP)相容耳機，而後者是行動電話行業協會(CTIA)相容耳機。使用這兩種耳機時，可以聽到左右聲道上的劈啪及喀噠聲，這是因為耳機插入/拔出時產生MIC偏壓，這會導致較差的使用者體驗。
左右音訊通道的耳機喇叭分別連線至第一和第二極。當音訊插孔插入或拔出時，這兩個極的接腳會刮擦麥克風的MIC偏壓電路，產生劈啪及喀噠聲。快捷解決方案在MIC通道上整合一個MIC開關，會隔離MIC偏壓電路並防止產生劈啪及喀噠聲。
耳機插入到音訊插孔時，J_DET檢測接腳變成低位準，會延遲判斷耳機是否完全插入而不是半插入或緩慢插入，並判斷低J_DET輸出是否是由雜訊及靜電放電(ESD)產生。內部類比開關直到耳機完全插入才開啟。一旦發現耳機拔出，類比開關會快速關閉，以隔離MIC偏壓電路。
因此，即使左右音訊通道的耳機喇叭再次接觸MIC通道，終端使用者也不會聽到任何劈啪及喀噠聲，這是因為噪音源偏壓電壓不存在。通常，插入延遲為300?500毫秒(ms)，而拔出延遲為30～50微秒(μs)。它們之間的時差可能達到一萬倍。該時差確保插入和拔出都能檢測到，並且不會產生劈啪及喀噠聲。
簡單的軟體設定
如圖2所示，新式耳機檢測解決方案透過I2C接口與基頻通訊，只需要在解決方案相關暫存器上進行簡單設定就能成功檢測耳機類型及按鍵按下類型，同時控制漏電流及音訊雜訊。
如圖3所示，透過簡單設定I2C暫存器可以輕鬆設定比較器臨界值及相關延遲時間，從而平滑實現所有功能並成功解決問題。所有I2C暫存器設定為預設值，半導體廠透過反覆的理論分析及驗證獲得這些預設值。在無任何修改情況下，這些預設值適用於多數耳機，同時可在不同平台間方便地遷移I2C軟體編碼。僅透過一次性簡單設計就能支援所有晶片組平台間的相容性，有助於縮短新型智慧型手機的設計週期。
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| 圖3 新式耳機檢測解決方案中的多按鍵檢測電路 |
新式耳機檢測解決方案是一種遙控耳機檢測解決方案。該解決方案在實現所有功能的同時產生的漏電流較小、能夠正確檢測按鍵、消除音訊雜訊並簡化軟體。
遙控耳機的音量調高/調低按鍵不但能夠調節歌曲播放的音量，而且能夠在多種應用場景中實現各種擴展功能，如照相機、導航、瀏覽器、視訊及遊戲。在電話進電的情況下，音量調高/調低按鍵能夠控制靜音功能、快速簡訊回復及會議電話。
在照相機場景中，這兩個按鍵可以處理焦點控制。在導航場景中，它們能夠控制地圖的放大與縮小。在瀏覽器場景中，它們能夠控制頁面上翻、下翻及切換可視視窗。在視訊場景中，它們能夠控制快進及倒轉。在遊戲場景中，這兩個鍵能夠處理武器或工具的快速切換。這些擴展功能很大程度上豐富使用者體驗。
(本文作者任職於快捷半導體)