Soluzioni per il rilevamento dei jack audio per auricolari con telecomando multi-key

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Il design degli auricolari con jack audio da 3,5mm per smartphone sta prestando sempre più attenzione all’aspetto dell’esperienza utente relativa agli auricolari stessi. Il presente articolo analizza cinque sfide che coinvolgono le attuali soluzioni usate per rilevare la presenza degli auricolari: forti perdite di tensione, blocco del pulsante Send/End, pressione dei pulsanti in ambienti ventosi o rumorosi, disturbi audio (pop e click) e complessità dello sviluppo software.

L’articolo propone una soluzione innovativa per risolvere questi problemi: una soluzione compatibile con gli auricolari con telecomando multi-key esistenti, in grado di rilevare la pressione multi-key (pressioni singole, doppie e triple del pulsante Send/End; pressioni brevi, pressioni prolungate e rilasci prolungati dei pulsanti di controllo del volume). Alcune funzioni estese aprono infine la porta verso nuovi scenari che arricchiscono significativamente l’esperienza utente del cliente finale.

La configurazione standard dei moderni smartphone comprende solitamente due interfacce per accessori, l’interfaccia USB e il jack audio da 3,5mm. L’interfaccia USB viene normalmente impiegata per la comunicazione dati e la ricarica della batteria, mentre il jack audio viene usato in combinazione con gli auricolari, il principale accessorio di uno smartphone. Poiché gli smartphone si sono fatti via via sempre più omogenei, per i produttori è diventato essenziale capire come offrire agli utenti finali un’esperienza personale e ottimale.

Un tempo esistevano due tipologie comuni di auricolari: quelli stereo a tre poli senza microfono, e quelli a quattro poli con microfono. A differenza dei primi, il secondo modello è dotato di un pulsante Send/End aggiuntivo. La tendenza più recente riguarda invece auricolari con telecomando e funzioni per il controllo del volume: questi modelli possiedono tutte le funzionalità degli auricolari standard a quattro poli, ma con due pulsanti in più per l’aumento e la riduzione del volume.

Scenario funzionale

I processori baseband o i codec audio degli attuali smartphone sono probabilmente in grado di rilevare l’inserimento o lo scollegamento degli auricolari e la pressione del pulsante Send/End. Tuttavia questi design devono spesso fare i conti con problemi come forti perdite di tensione, falsi positivi e disturbi audio (pop e click). Tra le soluzioni finora usate per rilevare i controlli del volume ve ne sono alcune che impongono circuiti di comparazione complessi, altre richiedono due chip di comunicazione dedicati sull’auricolare e sulla mainboard del telefono, altre ancora ricorrono agli ADC (Analog to Digital Converter).

Una soluzione molto gettonata prevede la presenza di più comparatori, ma è una strada noiosa e complessa che offre poca resistenza al rumore. L’adozione di due chip di comunicazione è estremamente complicata e si limita a modelli di auricolari proprietari. Il campionamento ADC è poco conveniente dal punto di vista economico, per non parlare dei consumi elettrici; inoltre è facile preda di errori di rilevamento a meno che non venga implementato un complesso algoritmo software che risolva il problema e aumenti la resistenza ai disturbi.

Per risolvere questi difficili ostacoli, Fairchild Semiconductor propone la soluzione FSA8108 per supportare gli auricolari con telecomando e controllo del volume. Aggiungendo un chip per il rilevamento del jack audio tra il jack stesso, il processore baseband e il preampli del microfono, la soluzione FSA8108 può rilevare automaticamente il tipo di auricolari inseriti nel jack audio e ridurre significativamente le perdite di tensione e le dimensioni della PCB del sistema.

Inoltre può essere eliminato il pop e click che si verifica collegando o scollegando gli auricolari, un disturbo dovuto al MIC bias del microfono, e riconoscere le pressioni multi-key dei pulsanti Send/End e controllo volume: pressioni singole, doppie e triple del pulsante Send/End; pressioni brevi, pressioni prolungate e rilasci prolungati dei pulsanti di controllo del volume

La soluzione comune per rilevare jack audio e multi-key

Le soluzioni esistenti per il rilevamento dei jack audio sono realizzate in genere con componenti discreti parzialmente o completamente integrati nel processore baseband o nel codec audio. Si tratta di solito di comparatori, resistenze e condensatori, come mostrato in figura 1. Un design di questo genere contiene alcuni difetti inerenti che possono provocare vari problemi come ad esempio forti perdite di tensione, falsi rilevamenti di pulsanti Send/End bloccati, falsi positivi di multi-key in ambienti ventosi o rumorosi, e disturbi audio (pop e click). Per quanto alcuni di questi problemi possano essere risolti attraverso una soluzione software, l’algoritmo richiesto è estremamente complicato.

Fig. 1 – Soluzione comune per rilevare jack audio e multi-key

Come mostrato in figura 1, il comparatore presente nel circuito effettua due funzioni: 1) distinguere gli auricolari a tre poli da quelli a quattro poli e 2) rilevare la pressione del pulsante Send/End. Se nel jack audio vengono inseriti auricolari a tre poli, il piedino MIC viene mandato a terra e il comparatore invia un segnale di basso livello al processore baseband. In caso invece di auricolari a quattro poli, il piedino MIC genera una tensione di bias compresa tra 1,8 e 3,3V; dopodiché, se il pulsante Send/End non viene premuto, viene inviato al processore baseband un segnale di alto livello. Se viene premuto il pulsante Send/End, viene inviato un segnale di basso livello.

Questa applicazione è progettata per comuni auricolari a tre o quattro poli senza controllo del volume. Per auricolari con telecomando e controllo del volume, invece, vengono aggiunti al piedino MIC dei comparatori che rilevano la pressione dei pulsanti che regolano il volume. Il principio del rilevamento di questi ultimi è simile a quello del pulsante Send/End. Due resistenze di valore differente vengono collegate tra i pulsanti del volume e la terra (GND) degli auricolari. Alla pressione dei pulsanti di controllo del volume, il piedino MIC riceve una tensione suddivisa in maniera differente, e di conseguenza i vari comparatori restituiranno combinazioni diverse di segnali di alto e basso livello.

Questo design elementare dà luogo a cinque problemi:

1. Forti perdite di tensione

Innanzitutto, come mostra I2 in figura 1, il partitore usato per definire la tensione di riferimento del comparatore è direttamente collegato alla fonte di alimentazione, così che una perdita di 28µA è sempre presente anche senza che gli auricolari siano inseriti nel jack audio.

In secondo luogo, il comparatore stesso ha solitamente una corrente quiescente, pari in genere a 20µA.

Infine, se vengono inseriti auricolari a quattro poli come nel caso I1 di figura 1, considerando l’impedenza di circa 2kohm del microfono, la corrente consumata dal circuito bias del MIC attraverso R_MIC (2,2kohm) e il microfono verso l’anello di massa è di circa 500uA. Indipendentemente dal fatto che il microfono venga usato o meno, la corrente circola comunque, per esempio in modalità MP3.

2. Falso rilevamento di pulsante Send/End bloccato

Se vengono inseriti nel jack audio auricolari a quattro poli ma il pulsante Send/End è cortocircuitato su GND, è possibile che gli auricolari vengano scambiati per un modello a tre poli; dopodiché il processore baseband abiliterà il microfono primario sulla mainboard del telefono e disabiliterà il circuito di preamplificazione del microfono presente sugli auricolari. La conseguenza è che il sistema non sarà in grado di ripristinare il microfono degli auricolari anche se il pulsante Send/End bloccato ritorna automaticamente nello stato normale.

3. Falso rilevamento dei pulsanti in ambienti ventosi o rumorosi

Il microfono degli auricolari viene attivato una volta che riceve una corrente di bias. All’interno di un ambiente ventoso o rumoroso, alcuni disturbi potrebbero essere generati al microfono. Il valore minimo di tali rumori potrebbe attivare il threshold inferiore del comparatore facendogli erroneamente rilevare segnali di basso livello interpretati dal processore baseband come pressione di pulsanti. Quando è presente un solo comparatore il problema non è così evidente. Nel caso di auricolari con telecomando e tre comparatori, invece, il problema appena descritto è critico perché ogni comparatore ha bisogno di uno spazio distinto. Alcune soluzioni che usano le fonti di alimentazione per rilevare la pressione dei pulsanti sono suscettibili alle influenze dei differenti valori di perdita di tensione dei differenti microfoni.

4. Disturbi audio (pop e click)

Si pensava che il rumore pop e click nei telefoni cellulari fosse a volte generato dal ciclo di carica/scarica del condensatore di blocco DC sui canali audio destro e sinistro degli auricolari. Tuttavia, molti dei codec audio o dei processori baseband attuali impiegano canali audio direct-drive privi di condensatori, tecnica che permette di eliminare il condensatore di blocco DC che non può quindi provocare alcun disturbo. Tuttavia il rumore pop e click viene comunque generato al collegamento e scollegamento degli auricolari. Al terzo o quarto polo degli auricolari si trova solitamente un microfono. Quando gli auricolari vengono collegati o scollegati velocemente, i terminali sfregano sul circuito del bias MIC, e quindi generano fastidiosi pop e click.

5. Complessità dello sviluppo software

La soluzione generale si basa esclusivamente su componenti discreti e richiede numerosi timer software con un algoritmo di filtro digitale per rispondere a funzioni come controllo del ritardo del collegamento/scollegamento, pressioni singole o multiple del pulsante Send/End, pressioni brevi e lunghe, e rilasci prolungati dei pulsanti per il controllo del volume. Sono tutte casistiche complicate, e una configurazione erronea dei parametri provoca errori di rilevamento. Questo aumenta indiscutibilmente la complessità del design di sistema e dello sviluppo software, con una conseguente esperienza utente insoddisfacente.

Lo switch FSA8108 per il rilevamento dei jack audio supporta gli auricolari con telecomandi multi-key

Come mostrato in figura 2, la soluzione FSA8108 aggiunge principalmente un circuito per il rilevamento del jack audio e un commutatore MIC analogico tra gli auricolari e il processore baseband o il codec audio. Il circuito di rilevamento intercetta gli eventi di collegamento/scollegamento, mentre il commutatore MIC rileva le pressioni multiple dei pulsanti e controlla le perdite di corrente, i falsi positivi e i disturbi audio.

Fig. 2 – Lo switch FSA8108 per il rilevamento dei jack audio

Gli auricolari adatti alla soluzione Fairchild sono estremamente semplici ed economici: occorrono solo due normali resistenze tra i piedini MIC e GND degli auricolari. La soluzione può anche rilevare il pulsante Send/End in modalità sia normalmente aperta (NO) o normalmente chiusa (NC).

I valori di resistenza degli auricolari con telecomando consigliati per questa soluzione sono i seguenti: 1) la resistenza di terra del pulsante Send/End ricade nell’intervallo da 0 a 105ohm; 2) la resistenza di terra del pulsante di aumento del volume ricade nell’intervallo da 139 a 279ohm; 3) la resistenza di terra del pulsante di diminuzione del volume ricade nell’intervallo da 330 a 680ohm. La maggior parte degli auricolari con telecomando oggi in commercio ha valori di resistenza configurati come segue: 0ohm circa per il pulsante Send/End, 200ohm circa per l’aumento del volume, circa 600ohm per la diminuzione del volume, e una precisione pari a ±1%.

Pertanto, uno smartphone che utilizzi la soluzione FSA8108 può essere completamente compatibile con gli auricolari con telecomando più diffusi sul mercato. Questa nuova soluzione è perfetta per risolvere i cinque principali problemi riscontrati nelle soluzioni preesistenti.

A. Riduzione delle perdite di corrente

Integrando in un unico componente un comparatore, un circuito MIC bias, un commutatore analogico e un circuito di rilevamento logico, la soluzione Fairchild aiuta a ridurre significativamente la corrente richiesta dal sistema. Per un’applicazione multi-key con tre comparatori, la perdita di corrente può arrivare anche fino a 144uA. Nel caso peggiore, il consumo massimo di corrente della soluzione FSA8108 è di soli 35µA, con un abbattimento delle perdite pari ad almeno il 75%. La soluzione può oltretutto rilevare se il jack audio è collegato o meno: in quest’ultimo caso il commutatore di rilevamento entra automaticamente nella modalità a basso consumo, equivalente a un assorbimento massimo di soli 1,5µA con una conservazione di energia che può arrivare fino al 99%.

In modalità MP3, per esempio, il pulsante Send/End viene utilizzato per avviare e mettere in pausa la riproduzione dei brani, non richiedendo quindi l’uso del microfono. Nelle soluzioni esistenti, il circuito MIC bias deve essere sempre in grado di identificare la pressione del pulsante Send/End, con una perdita di corrente superiore a 500µA attraverso RMIC e il microfono.

Lo switch della soluzione FSA8108 può ridurre questa perdita monitorando la pressione del pulsante Send/End in modo intermittente per attivare e disattivare il commutatore MIC analogico interno ad alta velocità. Durante il periodo “on”, è presente un MIC bias per identificare la pressione dei pulsanti. Durante il periodo “off”, il MIC bias viene isolato evitando la perdita di corrente di 500µA causata dal circuito di MIC bias. Il rapporto di utilizzazione di questo monitoraggio è 10/90, con la possibilità di raggiungere il 90% di conservazione dell’energia del sistema rispetto ad altre soluzioni esistenti.

B. Cessazione dei falsi rilevamenti del pulsante Send/End bloccato

Nel caso di auricolari a quattro poli con un pulsante Send/End bloccato, il risultato potrebbe essere quello di rilevare auricolari a tre poli; la soluzione Fairchild può risolvere questo problema monitorando costantemente la tensione del pin MIC.

Anche quando gli auricolari a quattro poli vengono fraintesi per un modello a tre poli, il circuito dedicato nella soluzione FSA8108 attiva su base regolare il commutatore analogico MIC entro un tempo ristretto. A questo punto, se la tensione sul piedino MIC equivale ancora alla tensione GND, significa che sono connessi auricolari a tre poli. Se la tensione sul piedino MIC è maggiore di 200mV, vuol dire che sono collegati auricolari a quattro poli. La soluzione Fairchild può identificare il cambiamento e inviare risultati aggiornati al processore baseband attraverso un interrupt I2C. Di conseguenza lo smartphone può ripristinare il corretto funzionamento in seguito a un errato rilevamento degli auricolari, che possono così operare normalmente.

C. Cessazione dei falsi rilevamenti di pulsanti in ambienti ventosi o rumorosi

Nella soluzione a tre comparatori per auricolari con telecomando, ciascun comparatore ha bisogno di un certo spazio divisionale che, nel suo complesso, è pari all’intervallo tra 0V e la tensione della batteria. In caso di ambienti ventosi o rumorosi, lo spazio divisionale dell’intera tensione di batteria da 2,7V a 4,35V è suscettibile di errori nel rilevamento dei pulsanti.

Fig. 3 – Circuito di rilevamento multi-key nella soluzione FSA8108

Come mostrato in figura 3, la soluzione FSA8108 integra tre comparatori: COM1, COM3 e COM4 (COM2 viene usato per rilevare il normale stato chiuso del pulsante Send/End). Dal momento che la soglia non è generata da un partitore comune, essa non fluttua alla variazione della tensione della batteria (da 2,7V a 4,35V), ma viene semplicemente configurata dai registri I2C interni. Ciascun comparatore possiede una soglia suddivisa in 16 step che può essere configurata secondo necessità. Il design è estremamente semplice e intuitivo.

La soluzione Fairchild integra inoltre al proprio interno filtri audio digitali e filtri contro le interferenze GSM a 217Hz. Questi filtri eliminano efficacemente i disturbi sul canale MIC per assicurare il corretto rilevamento.

D. Eliminazione dei disturbi audio (pop e click)

A seconda del design, il piedino MIC può essere collegato al polo 3 o al polo 4 di auricolari a quattro poli: nel primo caso si tratta di auricolari compatibili OMTP (Open Mobile Terminal Platform), nel secondo caso CTIA (Cellular Telephone Industries Association). Con queste due tipologie di auricolari è possibile sentire disturbi pop e click sui canali L/R quando viene generato MIC bias al collegamento/scollegamento del jack, influendo negativamente sull’esperienza utente.

Gli altoparlanti degli auricolari sono collegati ai poli 1 e 2 rispettivamente con il canale sinistro e il canale destro. Quando il jack audio viene collegato o scollegato, i due poli sfregano il circuito del MIC bias provocando pop e click. La soluzione Fairchild integra un commutatore MIC sul canale MIC per isolare il circuito del MIC bias ed evitare l’insorgere dei disturbi.

Quando gli auricolari vengono inseriti nel jack audio, il piedino di rilevamento J_DET passa in stato LOW ritardando la definizione del caso completamente inserito piuttosto che parzialmente inserito o inserito lentamente, nonché del caso in cui il passaggio a LOW di J_DET sia stato causato da disturbi e scariche elettrostatiche. Il turn on dello switch analogico interno avviene solo quando gli auricolari sono completamente inseriti.

Se gli auricolari sono scollegati, lo switch passa rapidamente in turn off per isolare il circuito del MIC bias. Pertanto, anche se gli altoparlanti dei canali destro e sinistro degli auricolari tornano in contatto con il canale MIC, l’utente finale non sente alcun disturbo poiché la tensione di bias della fonte del rumore stesso è assente. Il ritardo di collegamento è di solito compreso tra 300 e 500 ms, e quello di scollegamento tra 30 e 50 µs. La differenza tra gli intervalli può essere anche di 10.000 volte per assicurare il perfetto rilevamento di collegamenti e scollegamenti senza causare disturbi pop e click.

E. Semplicità di configurazione software

Come mostrato in figura 2, la soluzione FSA8108 comunica con il processore baseband attraverso l’interfaccia I2C. È sufficiente una semplice configurazione del relativo registro affinché la soluzione rilevi con successo il tipo di auricolari e di pressione dei pulsanti. La soluzione Fairchild può inoltre controllare perfettamente le perdite di corrente e i disturbi audio.

Come mostrato in figura 3, la soglia del comparatore e il relativo ritardo possono essere facilmente definiti configurando i registri I2C affinché tutte le funzioni possano essere implementate risolvendo brillantemente tutti i problemi.

Tutti i registri I2C sono configurati con valori di default, ottenuti in conseguenza di ripetute analisi teoriche e convalide eseguite da Fairchild. La maggior parte degli auricolari può essere così supportata senza alcuna modifica. Il codice software I2C può essere comodamente trapiantato tra piattaforme differenti. Un unico design può dunque garantire la compatibilità tra tutti i chipset, favorendo la velocizzazione del ciclo di progettazione dei nuovi smartphone.

La soluzione Fairchild FSA8108 permette di rilevare auricolari dotati di telecomando; le sue funzioni sono contraddistinte da basse perdite di corrente, corretto rilevamento dei pulsanti, eliminazione dei disturbi audio e semplificazione del software.

I pulsanti per il controllo del volume di auricolari dotati di telecomando possono essere sfruttati anche per implementare funzioni estese per vari scenari applicativi come chiamate in arrivo, fotocamera, navigazione, browser, video e giochi. All’arrivo di una chiamata, i pulsanti per il controllo del volume possono controllare la funzione mute, la risposta rapida via SMS e le teleconferenze.

Nel caso della fotocamera, i due pulsanti possono gestire la messa a fuoco. Durante la navigazione, possono controllare lo zoom delle mappe. In un browser, possono controllare lo scorrimento delle pagine e la commutazione delle finestre visibili. Con il video, i pulsanti del volume possono controllare l’avanzamento veloce e il riavvolgimento. Nei giochi, infine, i due pulsanti possono selezionare rapidamente armi od oggetti. Tutte queste funzioni estese arricchiscono significativamente l’esperienza utente.

Leo Liu, senior field application engineer di Fairchild Semiconductor

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