3.5mm插孔USB-C 耳机设计

手机

3.5mm手机插孔是音频行业的一个成熟的标准，并继续得到市场上用户的强力支持。原本在19发明个世纪的电话开关板，它做了它的方式进入手机，平板电脑和个人电脑连接的音响和通讯耳机进行电话呼叫或只是为了听音乐。虽然手机插孔具有相当长的演进历史，3.5mm四极配件设备为其最终客户提供的功能相当有限。

图1 3.5mm手机插孔手机架构
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现有3.5mm音频插孔实现的简化框图如图1所示。该图显示了连接到手机内的音频编解码器的标准3.5mm音频插孔。为支持拨打电话的语音传输，有MIC和BUT输入，音频插孔的第四极连接。该信号线具有连接的模拟麦克风，并联的是一至三个按钮，每个具有串联电阻器。

如果按下一个按钮，串行电阻定义了手机内部的偏置电阻R BIAS，可以通过按钮检测ADC来测量电压降，以接受电话或简单地更改音乐播放音量。如果没有按下按钮，麦克风处于活动状态，并且捕获的语音信号由音频编解码器内的语音ADC数字化，然后馈入基带。

图1所示的架构在过去几年没有发生变化，尽管手机的发展速度很快。根据手机在计算能力方面提供的可能性，3.5mm音频插孔配件可提供的功能相当有限。这样做的一个原因可能是耳机经过成本优化，需要彼此兼容。因此，从市场上连续拉动，以增强3.5mm音频插孔的功能，同时将成本降至最低。

许多供应商要求的一个特殊应用是支持主动噪声消除（ANC），而不需要附件内部的电池。此功能仅在附件内的电池和耳机内部的模拟或数字ANC设备可用，如图3所示。另一种解决方案消除了对电池的需求，利用USB接口从手机中断电（图2）。

图2 用于降噪耳机的基于USB的发射和接收路径

图3 用于带有电池的降噪耳机的基于3.5mm音频插座的发送和接收路径

这两个选项在威廉希尔官方网站上都是可行的，但在成本和解决方案尺寸方面不是理想的。例如，捆绑ANC耳机的驱动因素是低成本和小尺寸。由于手机和附件（音频编解码器，DSP扩展，放大器，PMU）之间存在很多冗余，因此，实现低系统成本并实现更多功能的整体目标无济于事。

ACI如何允许最低的系统成本和更小的外形尺寸

为了解决这个问题并听取客户的需求，ams AG发明了一种新的接口标准，与3.5mm音频插孔一起使用，为现有的传统耳机和手机提供全面的向后兼容性。称为附件通信接口（ACI）的新接口威廉希尔官方网站在AS344B中实现，并利用四个音频插孔触点中的麦克风信号线来增强这个成熟连接器的功能，并将其转换为数字双向接口。

此外，重点放在了最低的系统成本上，其策略是重新使用手机内的计算能力，而不是在手机和配件内部具有冗余块。

图4 由ACI威廉希尔官方网站提供的USB-C和3.5mm音频插孔ANC耳机

图4显示了3.5mm音频插孔系统和基于USB-C模拟系统的ACI系统的实现结构。由于新的USB-C标准支持模拟音频输出，通过在手机内添加简单的模拟开关，还可以通过USB-C连接器和麦克风线使用ACI威廉希尔官方网站，实现低成本ANC耳机所有您需要的两个选项是手机内的ACI主人。该主设备当然可以在中期成为音频编解码器的一部分，这进一步降低了系统成本。

在附件方面，ACI系统不再需要音频编解码器，耳机放大器，MCU和附加电源管理等所有功能块。所有用于用户界面控制的按钮和用于语音和ANC的麦克风都直接连接到附件内的ACI从属芯片。该方法是简单地收集所有传感器，麦克风和按钮信息并将其传输到主机。音频信号处理由音频编解码器的数字信号处理器（DSP）处理，用于发射路径降噪，以及接收路径噪声降低，例如在没有耳机连接的情况下。所有相关的传感器和按钮信息通过I2C和中断传送到应用处理器，以启用/禁用附件的各种功能。

ACI的高级功能

具有所有相关连接的ACI解决方案的更详细的系统框图如图5所示。ACI的设计目标之一是最小延迟，以便减少Rx路径噪声。因此，ACI系统每个麦克风通道的延迟时间只有1.1μs。这是ACI系统相对于数字USB-C实现的主要优点，因为它不支持这样低的延迟以便重新使用移动电话中的音频编解码器进行Rx降噪。为了简单的集成到手机或平板电脑中，该设备具有时钟输入，以确保数字麦克风数据（最多5个通道）与用于数字信号处理的音频编解码器同步。

图5 ACI系统概述框图
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为了摆脱配件内的电池，系统支持从机侧的电源提取，输出电流高达100mA。该电源电压（1.4-1.9V）可用于为连接到AS3445B的I2C主站的麦克风或其他传感器供电。I2C隧道功能允许您直接与应用处理器一起访问和读取连接到AS3445B的I2C主器件的传感器。

为了保持所谓的元数据传输（I2C，IRQ，直接位传输）的最高可靠性，该数据也受到CRC保护，以避免错误的数据传输。AS3445B内的EEPROM用于存储应用程序特定信息，如麦克风输入或GPIO配置的前置放大器增益设置，以定义附件硬件。其余的EEPROM可用于通用目的。

因此，可以将生产数据，序列号等编程到系统，或者允许客户将用户特定数据放入附件，例如用于优选音乐播放设置的名称或个性化EQ设置。所有这些功能和更多的功能都是通过使用麦克风线来完成通信和电源传输到AS3445B，如图5所示。由音频编***的模拟音频信号不受麦克风导线上运行的ACI通信的影响。

这个棘手的ACI如何工作？

主从之间的通信是基于半双工时间复用调制方案。

图6 ： MIC线调制方案

信号线上存在通常为3.3V的直流偏移，以便向AS3445B供电（图6）。然后将麦克风数据和元数据直接调制到3.3V电源电压。由于接口的重点是低延迟，因此总共带宽的83％用于传输低延迟数据（典型麦克风数据）。另外10％用于同步主器件和从器件之间的时钟，最后7％提供了用于I2C通信到AS3445B的元数据传输，直接位传输和中断。

由于ACI系统允许从0m到1m的音频电缆长度，以自校准方式实现，无需根据电缆长度更改设置，因此保持信号线上传输的数据的信号完整性非常重要。因此，如图7的框图所示，通信信道需要被很好地定义。两个器件上的XCN引脚需要21Ω的终端电阻，以避免由于长信号线而导致的传输数据的反射。麦克风电缆需要符合该电阻，特性阻抗为21Ω，公差为±20％。

图7 MIC线数据调制
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替代ACI用例

除了提供低成本和用于与手机捆绑在一起的最小外形ANC耳机之外，ACI威廉希尔官方网站还可以用于解决由于空间有限而导致系统中机械约束的问题。一个可能的选择是两个PCB的互连。通常有多极连接器用于连接PCB，并且通常极数可用是有限的，因此设计工程师无法将所有传感器信号馈送回主PCB。ACI系统可能用于替换带有两极连接器的多极连接器，并可馈送多达五个麦克风通道，多个按钮以及I2C传感器数据。由于接口的架构，更长的电缆连接长达1米不是传输I2C传感器数据的问题。

图8 替代应用示例：耳机耳罩互连

图8中显示了另外也是解决耳机行业机械问题的应用程序特定用例。通常在左耳罩和右耳罩之间存在许多互连，并且可用电缆的数量由于机械约束而受到限制。在这种情况下，ACI可以与单个附加线一起使用，将位于右耳杯上的多个麦克风，按钮和传感器连接到耳机主处理器所在左耳罩的主PCB上。

Horst Gether是ams主动降噪产品的产品经理。