USB-C 型接口连接耳机会遇到的问题和解决方案

很多人都使用过头戴式耳机来听音乐并接/打电话,这种耳机的内部电路大多是如下图所示的样子:


不同的按键 A/B/C/D 分别可以被赋予不同的功能,你可以用它们启停音乐的播放、接听/终止电话、调节音量的大小,甚至还可以用它们控制相机或是实现其他功能,具体的实现可能因需求而异。不论具体的设计是怎样的,这种耳机的连接端子通常就只有 4 个,所以用传统的 3.5mm 插头座来连接这样的耳机便刚刚好,因为 TRRS 结构的耳机接口就是被设计来解决这样的问题的。

使用过多种来源手机的读者可能遇到过这样的问题,在将某些手机原配的耳机插入另外品牌的手机使用时可能出现音质不好的问题,这是因为世界上存在两种分别被广泛接受的连接标准,一种来自 CTIA,一种来自OMTP,它们在引脚分配上的差异可以从下面的对比图中看出来:


OMTP 这个词是 Open Mobile Terminal Platform 的缩写,中国所使用的耳机连接标准与之相同。由于这种连接标准将接地端和 TRRS 的S (Shield) 连接在一起,对信号的保护应该会更好,所以我认为这是一个比较好的选择。

当我们的手机还在使用 USB Micro 接口的时候,由于其中只有两条数据线 D+ 和 D-,另外的两条线是 VBUS 和 GND,想通过这样的接口连接耳机就只能使用数字数据传输的方式,耳机的实现会非常复杂,那时的手机就只能通过另外的耳机插孔来连接耳机。 USB-C 型接口的出现改变了这一局面,因为它有更多的端子可供使用,使得直接通过 USB 接口来连接普通耳机成为可能。

上图是 USB-C 型接口标准里给出来的 3.5mm 音频接口与 USB-C 型接口之间的信号对应关系或连接关系,说明来自耳机的信号可以通过 USB-C 型接口进入系统,这样就可以将 3.5mm 接口的插座取消掉了,可以让手机看起来更简洁。我现在使用的华为 P30 pro 就是这样的设计,由此带来的唯一问题是我过去使用过的耳机都不能在这台手机上用了,属于换代过程中的一点小烦恼。

耳机通过 USB-C 型接口与手机连接的时候,左右声道信号需要通过 USB 2.0 接口的 D+/D- 进行传输,麦克风信号需要通过 SBU1 或 SBU2 进行传输,而且还要能够兼容 OMTP 和 CTIA 两种标准,所以要将耳机的麦克风信号和 GND 信号作为一个组来处理,要为它们提供一个可以任意同时切换的通路,以便可以连接不同标准的耳机。

如果说 SBU1/2 就是专门为音频信号的传输而准备的,D+/D- 的作用就完全不一样了,因为它们从一开始就是用于数据信号传输的,到了 USB-C 型接口的时代仍旧如此,因为 USB 2.0 还会继续被支持下去,这使得 USB-C 型接口成了双总线并存的接口。由于将左右声道的音频信号也连接到 D+/D- 上了,设备内部就必须做出一些改变来对音频信号和数据信号进行路由管理,于是就有了下图这样的器件出现的机会:

其中有一个双刀双掷的 USB & Audio Switch,它将来自接口的 DPR/DNL 信号对分别引向 DP/DN 或 R/L,同时还对DPR/DPL 提供了过压保护和静电释放保护通道。

SBU1 和 SBU2 都既可能和 MIC 连接,也可能和 GND 连接,所以内部设置了两个交叉连接开关 SBU Cross-Point Switch,系统可以控制 SENSE GND Switch 与 GSBU1 和 GSBU2 的连接方式以通过 SENSE 端看到的信号幅度得知 SBU1/2 的信号特征,再控制SBU Cross-Point Switch 将麦克风信号和 GND 信号连接到正确的地方,这个正确的 GND 信号也是上面的R/L 左右声道信号的参考点。同样的,此器件也为 SBU1/2、GSBU1/2 提供了过压保护和静电释放保护。

器件框图的右上角还显示出了它的 CC 信号检测功能,但这与我们前面涉及的耳机接口已经没有什么关系了,所以我们可以暂时不去管它,到了有需要时再去了解。

这款器件的型号是 RT8980H,它具有下图所示的封装和引脚布置:


将其连接到系统中的原理图大概是这样的:

我们从这里可以看到它与 USB-C 型端口、应用处理器、音频接口和电源供应之间的关系,几乎没有什么外围配套元件,使用起来应该是很简单的,有需要了解其细节的可以点击 RT8980H 查看其详细信息。

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