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耳機(jī)與USB通路
早期的3.5mm耳機(jī)只有GND、左、右聲道3個(gè)引腳，這種耳機(jī)接口簡(jiǎn)單，使用范圍廣，常見(jiàn)在電腦等大型設(shè)備音頻接口上，這種接口有個(gè)顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)，即：沒(méi)有MIC，不能錄音打電話(huà)。在電腦上可以單獨(dú)增加MIC接口，但是在手機(jī)這種集成度高的移動(dòng)設(shè)備上，單獨(dú)增加MIC接口顯然不是個(gè)高性?xún)r(jià)比的方案，因此出現(xiàn)了帶有MIC的耳機(jī)接口。早期各手機(jī)廠商都是自由發(fā)揮，出現(xiàn)了五花八門(mén)的耳機(jī)接口，各家廠商的耳機(jī)接口又互不兼容，耳機(jī)不能共用給消費(fèi)者帶來(lái)非常多的苦惱，天下苦雜耳機(jī)接口久矣。于是，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的耳機(jī)接口亟待出現(xiàn)。
后來(lái)就出現(xiàn)了OMTP標(biāo)準(zhǔn)和CTIA標(biāo)準(zhǔn)，二者在鏈路上主要有MIC和GND的區(qū)別，見(jiàn)圖5-62。當(dāng)年遵循OMTP的有鼎鼎大名的諾基亞，我國(guó)也選擇了OMTP，但一些手機(jī)廠商依然選用CTIA，正因?yàn)槿绱耍?dāng)年很多同學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)一些3.5mm耳機(jī)不兼容。
上圖右圖是耳機(jī)線(xiàn)的鏈路示意圖，耳機(jī)有兩個(gè)小的揚(yáng)聲器作為左、右聲道，連接到接頭的L和R，耳機(jī)上還有MIC可以錄音，此外還有3個(gè)功能按鍵，分別是暫停、上一曲和下一曲的功能，不同的按鍵有不同的串聯(lián)電阻，可以通過(guò)檢測(cè)電阻來(lái)判斷具體是哪個(gè)按鍵按下去的，比如當(dāng)K1按下時(shí)，MIC和GND之間是短路的，當(dāng)K2按下時(shí)，MIC和GND之間的電阻是R1。
OMTP和CTIA耳機(jī)接口有不匹配的問(wèn)題，科技的進(jìn)步一直服務(wù)于用戶(hù)的需求，為了解決OMTP、CTIA的兼容性問(wèn)題，音頻開(kāi)關(guān)開(kāi)始進(jìn)入人們的視野，很多手機(jī)都會(huì)加入音頻開(kāi)關(guān)，通路原理見(jiàn)下圖(a)和(b)。當(dāng)耳機(jī)插入時(shí)，音頻開(kāi)關(guān)會(huì)檢測(cè)MIC和GND的順序然后自動(dòng)切換MIC和GND通路，不管用什么標(biāo)準(zhǔn)的耳機(jī)，不管怎么插，都能夠?qū)崿F(xiàn)二者的兼容。
怎么實(shí)現(xiàn)耳機(jī)插入檢測(cè)呢？耳機(jī)插座起了重要作用，耳機(jī)插座也是分兩種，NC(NORMAL CLOSE)和NO（NORMAL OPEN)。NC是常閉，上圖(c)中的插座左聲道L和DET平時(shí)是閉合短接的，如果插入耳機(jī)后L和DET就會(huì)斷開(kāi)，DET為高電平，以此實(shí)現(xiàn)耳機(jī)插入檢測(cè)。NO是常開(kāi)，(d)中，通常狀態(tài)下L和DET是斷開(kāi)的，插入耳機(jī)后L和DET短接，DET為低電平。手機(jī)軟件需要根據(jù)手機(jī)使用的耳機(jī)插座進(jìn)行軟硬件配置，來(lái)識(shí)別耳機(jī)插入狀態(tài)。
現(xiàn)在高端的手機(jī)越來(lái)越薄，3.5mm耳機(jī)接口會(huì)占據(jù)很大空間，高端手機(jī)一般都取消了3.5mm耳機(jī)接口，通過(guò)TYPE-C口實(shí)現(xiàn)耳機(jī)、USB和充電功能。用戶(hù)在使用時(shí)有兩種耳機(jī)可選擇，一種是3.5mm傳統(tǒng)耳機(jī)搭配個(gè)3.5mm轉(zhuǎn)TYPE-C的轉(zhuǎn)接頭，另一種是直接使用TYPE-C頭的耳機(jī)。下圖左側(cè)是耳機(jī)的插座轉(zhuǎn)TYPE-C接口的連接圖，其中由于TYPE-C接口支持正反插，因此左右聲道不用切換，直接根據(jù)TYPE-C D+、D-正反插功能就可以實(shí)現(xiàn)。不同標(biāo)準(zhǔn)的耳機(jī)MIC和GND順序不同，手機(jī)同時(shí)還要兼容TYPE-C接口中MIC和GND的正反插，MIC和GND的切換邏輯就比較復(fù)雜，篇幅有限，本文不詳細(xì)介紹。
TYPE-C口的數(shù)據(jù)流分兩種，一種是音頻的，包括左、右聲道、MIC和地，另一種是USB的通路，其中左右聲道占用了USB的D+、D-引腳，因此需要加入模擬開(kāi)關(guān)對(duì)D+、D-和耳機(jī)的左右聲道進(jìn)行切換，TYPE-C的CC引腳具有非常重要的功能，可以進(jìn)行設(shè)備識(shí)別。上圖右側(cè)中，當(dāng)插入U(xiǎn)SB數(shù)據(jù)線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)內(nèi)部切換到DP和DN，USB與AP（CPU）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；當(dāng)插入耳機(jī)時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)切換到L、R，CODEC通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)來(lái)驅(qū)動(dòng)耳機(jī)。
有的手機(jī)會(huì)在TYPE-C的SBU引腳上拉出一根線(xiàn)到CPU串口上，用于研發(fā)調(diào)試使用，比如可以通過(guò)串口抓取手機(jī)開(kāi)機(jī)LOG，識(shí)別手機(jī)狀態(tài)、快速定位手機(jī)異常模塊。這個(gè)UART串口線(xiàn)如果和MIC共用SBU引腳的話(huà)，MIC和UART串口可以通過(guò)一個(gè)0歐姆的電阻進(jìn)行區(qū)分，在用耳機(jī)錄音時(shí)可能會(huì)錄進(jìn)去滋滋的電流音，或者耳機(jī)喇叭也有滋滋的電流音，這都是串口引起的，因此在研發(fā)階段要選一些斷開(kāi)UART與SBU(MIC)的手機(jī)來(lái)測(cè)試耳機(jī)音頻相關(guān)內(nèi)容，并且在量產(chǎn)時(shí)刪除電阻(把UART和MIC斷開(kāi))，而且這UART走線(xiàn)也需要注意，UART和MIC連接點(diǎn)距離電阻這一段走線(xiàn)一定要短，見(jiàn)左圖中“×”位置，如果這段走線(xiàn)很長(zhǎng)，那么即使摘除了電阻，這段長(zhǎng)長(zhǎng)的走線(xiàn)也會(huì)由于天線(xiàn)效應(yīng)拾取電路上的噪聲，容易降低MIC音頻性能。
揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路
揚(yáng)聲器俗稱(chēng)喇叭，是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能再轉(zhuǎn)化成聲能的器件，是一種換能器。手機(jī)一般有兩個(gè)揚(yáng)聲器，一個(gè)在手機(jī)頂部作為聽(tīng)筒，叫receiver(一些手機(jī)中，會(huì)使用receiver發(fā)出超聲波，然后檢測(cè)超聲波返回的時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)距離傳感器的應(yīng)用)，另一個(gè)在手機(jī)下面作為外放使用，叫speaker。聽(tīng)筒體積小，音量和音質(zhì)都不足，通常在打電話(huà)時(shí)使用，如今各手機(jī)廠商開(kāi)始發(fā)力于立體聲揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)，給用戶(hù)帶來(lái)更優(yōu)質(zhì)的音頻體驗(yàn)，比如小米10S使用了對(duì)稱(chēng)式立體聲，上下采用了完全一樣的1216線(xiàn)性揚(yáng)聲器，等效音腔高達(dá)1.2CC，上下喇叭的增益差別接近零，能夠最大程度還原聲音的空間感，見(jiàn)下圖(a)中黃色框。對(duì)于傳統(tǒng)的聽(tīng)筒而言，使用Codec就可以驅(qū)動(dòng)，而對(duì)于立體聲而言則需要使用雙Smart PA來(lái)驅(qū)動(dòng)，見(jiàn)圖中(b)部分，智能功放可以在保護(hù)揚(yáng)聲器的基礎(chǔ)上，重復(fù)發(fā)揮其性能，因此電路設(shè)計(jì)會(huì)更復(fù)雜。
Smart PA 是智能功率放大器，也是一個(gè)放大器，它和普通的功放相比，最大的區(qū)別是加了反饋檢測(cè)，更加智能。在一些頻段下smart PA和普通PA的信噪比、最大輸出功率等可以做到相同，但在其他頻段下（特別是低頻），普通PA為了保證功率（防止損壞喇叭），就必須降低放大倍數(shù)。換句話(huà)說(shuō)，普通PA為了保證全頻段內(nèi)的可靠性，需要犧牲一部分頻段的性能。而smart PA加入了輸出信號(hào)的電流電壓反饋，可以充分釋放揚(yáng)聲器的性能，在寬頻帶內(nèi)提供更好的音質(zhì)和安全性，最大限度的提升揚(yáng)聲器的效果，可以在保證揚(yáng)聲器工作安全的情況下，達(dá)到最大的響度和最佳的音質(zhì)，提升用戶(hù)體驗(yàn)。
下圖是SMART PA內(nèi)部框圖，CPU通過(guò)I2S接口將音頻數(shù)據(jù)發(fā)送到smart PA，經(jīng)過(guò)DAC把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。Smart PA會(huì)檢測(cè)揚(yáng)聲器電流和電壓，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控?fù)P聲器行為，這個(gè)功能稱(chēng)為IV sense。
Smart PA輸出的信號(hào)能量大，有可能產(chǎn)生EMI問(wèn)題，揚(yáng)聲器又有引入靜電問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，因此實(shí)際項(xiàng)目中，SPKP、SPKN鏈路上往往有磁珠、0歐姆電阻、電容、TVS等濾波保護(hù)器件。SNS_P和SNS_N用來(lái)檢測(cè)揚(yáng)聲器電壓，稱(chēng)之為V-sense，這兩個(gè)引腳應(yīng)連接在濾波器之后、靠近揚(yáng)聲器端。V-Sense連接消除了由于封裝、PCB走線(xiàn)、磁珠、電阻引起的壓降誤差。V-sense還可以通過(guò)算法糾正由于磁珠引起的增益誤差或非線(xiàn)性，這兩條檢測(cè)信號(hào)線(xiàn)屬于敏感的模擬信號(hào)線(xiàn)，在PCB走線(xiàn)時(shí)要注意用地線(xiàn)或地平面進(jìn)行屏蔽，遠(yuǎn)離其他數(shù)字信號(hào)或電源，防止揚(yáng)聲器電壓檢測(cè)受到干擾進(jìn)而影響Smart PA的性能，甚至可能出現(xiàn)雜音或底噪大失真大。Smart PA內(nèi)部有BOOST升壓功能，因此需要外接電感和自舉電容（圖中未畫(huà)出電容），電感要注意遠(yuǎn)離磁性材料，PCB走線(xiàn)時(shí)回路電感要足夠小，否則可能會(huì)引起喇叭破音，比如一些手機(jī)套中有磁性吸合材料，如果這個(gè)磁性吸合材料靠近Smart PA的電感，那么就很可能會(huì)破音。
▊《硬件設(shè)計(jì)指南：從器件認(rèn)知到手機(jī)基帶設(shè)計(jì)》
鄭春厚? 楊玉? 編著
知名科技自媒體創(chuàng)作者“工程師看海”首部力作。本書(shū)囊括了基本器件、常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源、線(xiàn)性電源等電源拓?fù)?，還有模擬電路、信號(hào)完整性、電源完整性、傳感器、測(cè)試儀表等重要內(nèi)容，同時(shí)加入了大量的仿真和實(shí)際案例，滲透了作者實(shí)際工作中大量經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。全書(shū)含有43個(gè)原創(chuàng)實(shí)戰(zhàn)案例講解，知識(shí)點(diǎn)涉及范圍廣，內(nèi)容全而精，非常適合初級(jí)、中級(jí)硬件工程師。
撰? 稿? 人：張璐
責(zé)任編輯：李馨馨
審? 核? 人：曹新宇
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