【導(dǎo)讀】MEMS技術(shù)是使麥克風(fēng)越來(lái)越小，并且可以提供模擬或數(shù)字輸出的技術(shù)。在音頻信號(hào)鏈中有越來(lái)越多的傳感器與其它元件集成在一起，那么設(shè)計(jì)模擬和數(shù)字麥克風(fēng)輸出信號(hào)時(shí)要考慮哪些問(wèn)題呢？本文將為大家一一講解！
麥克風(fēng)是一種將聲壓波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的換能器。在音頻信號(hào)鏈中有越來(lái)越多的傳感器與其它元件集成在一起，MEMS技術(shù)則使得麥克風(fēng)越來(lái)越小，并且可以提供模擬或數(shù)字輸出。
模擬和數(shù)字麥克風(fēng)輸出信號(hào)在設(shè)計(jì)中顯然有不同的考慮因素。本文要討論將模擬和數(shù)字MEMS麥克風(fēng)集成進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的差別和需要考慮的因素。
MEMS麥克風(fēng)內(nèi)部細(xì)節(jié)
MEMS麥克風(fēng)輸出并不是直接來(lái)自MEMS換能單元。換能器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)可變電容，并且具有特別高的兆歐級(jí)輸出阻抗。
在麥克風(fēng)封裝中，換能器信號(hào)先被送往前置放大器，而這個(gè)放大器的首要功能是阻抗變換，當(dāng)麥克風(fēng)接進(jìn)音頻信號(hào)鏈時(shí)將輸出阻抗降低到更合適的值。麥克風(fēng)的輸出電路也是在這個(gè)前置放大電路中實(shí)現(xiàn)的。
對(duì)于模擬MEMS麥克風(fēng)來(lái)說(shuō)，圖1所示的這種電路基本上是一個(gè)具有特殊輸出阻抗的放大器。在數(shù)字MEMS麥克風(fēng)中，這個(gè)放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)集成在一起，以脈沖密度調(diào)制(PDM)或I2S格式提供數(shù)字輸出。
圖1：典型的模擬MEMS麥克風(fēng)框圖。
圖2是PDM輸出MEMS麥克風(fēng)的功能框圖，圖3是典型的I2S輸出數(shù)字麥克風(fēng)。I2S麥克風(fēng)包含PDM麥克風(fēng)中的所有數(shù)字電路，還包含抽取濾波器和串口。
圖2：典型的PDM MEMS麥克風(fēng)框圖。
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圖3：典型的I2S MEMS麥克風(fēng)框圖。
MEMS麥克風(fēng)封裝在半導(dǎo)體器件中比較獨(dú)特，因?yàn)樵诜庋b中有一個(gè)洞，用于聲學(xué)能量抵達(dá)換能單元。在這個(gè)封裝內(nèi)部，MEMS麥克風(fēng)換能器和模擬或數(shù)字ASIC綁定在一起，并安裝在一個(gè)公共的疊層上。然后在疊層上方又綁定一個(gè)蓋子，用于封住換能器和ASIC。這種疊層通常是一小塊PCB，用于將IC出來(lái)的信號(hào)連接到麥克風(fēng)封裝外部的引腳上。
圖4和圖5分別顯示了模擬和數(shù)字MEMS麥克風(fēng)的內(nèi)部細(xì)節(jié)。在這些圖片中，你可以看到左邊的換能器和右邊的ASIC(在環(huán)氧樹(shù)脂底下)，兩者都安裝在疊層上。數(shù)字麥克風(fēng)有額外的綁定線將來(lái)自ASIC的電氣信號(hào)連接到疊層。
圖4：模擬MEMS麥克風(fēng)中的換能器和ASIC。
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圖5：數(shù)字MEMS麥克風(fēng)中的換能器和ASIC。
模擬麥克風(fēng)
模擬MEMS麥克風(fēng)的輸出阻抗典型值為幾百歐姆。這個(gè)阻抗要高于運(yùn)放通常具有的低輸出阻抗，因此你需要了解緊隨麥克風(fēng)之后的信號(hào)鏈阻抗。
麥克風(fēng)后面的低阻抗電路會(huì)衰減信號(hào)電平。例如，一些編解碼器在ADC之前有一個(gè)可編程的增益放大器(PGA)。在高增益設(shè)置時(shí)，PGA的輸入阻抗可能只有幾千歐姆。輸出阻抗為200Ω的MEMS麥克風(fēng)后面跟一個(gè)輸入阻抗為2kΩ的PGA將使信號(hào)電平衰減近10%。
模擬MEMS麥克風(fēng)的輸出通常被偏置為地和電源電壓之間的某個(gè)直流電壓值。這個(gè)偏置電壓的選擇原則是最大幅度的輸出信號(hào)峰值不會(huì)被電源電壓或地電位限值所鉗位。這個(gè)直流偏置電壓的存在也意味著麥克風(fēng)通常是通過(guò)交流耦合連接后面的放大器或轉(zhuǎn)換器芯片。串聯(lián)電容的選擇原則是，與編解碼器或放大器輸入阻抗一起形成的高通濾波器電路不會(huì)使信號(hào)的低頻部分滾降位于麥克風(fēng)自然低頻滾降之上。
對(duì)于具有100Hz低頻-3dB點(diǎn)的麥克風(fēng)和具有10kΩ輸入阻抗的編解碼器或放大器來(lái)說(shuō)(兩個(gè)都是普通值)，即使相對(duì)小的1.0?F電容也會(huì)將高通濾波器的角頻率置為16Hz，這個(gè)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了能夠影響麥克風(fēng)響應(yīng)的范圍。圖6顯示了這類(lèi)電路的一個(gè)例子，其中的模擬MEMS麥克風(fēng)連接到了一個(gè)同相配置的運(yùn)放。
圖6：模擬麥克風(fēng)連接到同相運(yùn)放電路。
數(shù)字麥克風(fēng)
數(shù)字麥克風(fēng)將模數(shù)轉(zhuǎn)換功能從編解碼器轉(zhuǎn)移進(jìn)了麥克風(fēng)，從而實(shí)現(xiàn)了從麥克風(fēng)到處理器的全數(shù)字音頻捕獲通道。數(shù)字MEMS麥克風(fēng)經(jīng)常在模擬音頻信號(hào)容易受到干擾的應(yīng)用中使用。
例如在平板電腦中，麥克風(fēng)的位置也許不靠近ADC，這兩點(diǎn)之間的信號(hào)可能會(huì)穿越或接近Wi-Fi、藍(lán)牙或蜂窩天線。將這些連接數(shù)字化后，它們就不容易受到這些射頻干擾而在音頻信號(hào)中產(chǎn)生噪聲或失真。這種拾取有害系統(tǒng)噪聲的改進(jìn)給設(shè)計(jì)中的麥克風(fēng)布局提供了很大的靈活性。
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在只需要模擬音頻接口來(lái)連接模擬麥克風(fēng)的系統(tǒng)中數(shù)字麥克風(fēng)也很有用。在只需要音頻捕獲但不需要回放的系統(tǒng)中，像監(jiān)控?cái)z像機(jī)中，使用數(shù)字輸出麥克風(fēng)后就不需要單獨(dú)的編解碼器或音頻轉(zhuǎn)換器了，麥克風(fēng)可以直接連接數(shù)字處理器。
當(dāng)然，好的數(shù)字設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)仍必須應(yīng)用于數(shù)字麥克風(fēng)的時(shí)鐘和數(shù)字信號(hào)。20Ω至100Ω的小值源端接電阻很有用，它能確保至少數(shù)英寸長(zhǎng)的走線上有良好的數(shù)字信號(hào)完整性(圖7)。當(dāng)使用更短的走線長(zhǎng)度，或者以較低速率運(yùn)行數(shù)字麥克風(fēng)時(shí)鐘時(shí)，麥克風(fēng)引腳可以直接連接到編解碼器或DSP，不需要任何無(wú)源元件。
圖7：PDM麥克風(fēng)以源端接方式連接到編解碼器。
PDM是一種最常見(jiàn)的數(shù)字麥克風(fēng)接口。這種接口允許兩個(gè)麥克風(fēng)共享一個(gè)公共的時(shí)鐘與數(shù)據(jù)線。每個(gè)麥克風(fēng)被配置為在時(shí)鐘信號(hào)的不同沿產(chǎn)生各自的輸出。這樣兩個(gè)麥克風(fēng)的輸出就能保持相互同步，設(shè)計(jì)師就能確保來(lái)自每個(gè)通道的數(shù)據(jù)被同時(shí)捕獲到。
在最壞情況下，從兩個(gè)麥克風(fēng)捕獲到的數(shù)據(jù)可能在時(shí)間上隔半個(gè)時(shí)鐘信號(hào)周期。這種時(shí)鐘的頻率典型值約為3MHz，因此通道內(nèi)時(shí)間差僅為0.16us，遠(yuǎn)小于聽(tīng)者可以覺(jué)察到的閾值。這種相同的同步機(jī)制還可以擴(kuò)展到具有兩個(gè)以上PDM麥克風(fēng)的系統(tǒng)中，只需確保所有麥克風(fēng)都連接到相同的時(shí)鐘源，并且數(shù)據(jù)信號(hào)都在一起濾波和處理。在使用模擬麥克風(fēng)的情況下，這種同步實(shí)現(xiàn)將上移到ADC。
I2S
多年來(lái)I2S一直是音頻轉(zhuǎn)換器和處理器的一種通用數(shù)字接口，只是最近才被集成進(jìn)信號(hào)鏈邊緣的設(shè)備中，比如麥克風(fēng)。I2S麥克風(fēng)擁有與PDM麥克風(fēng)相同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，但不再輸出高采樣速率的PDM信號(hào)，它輸出的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采用抽取過(guò)的基帶音頻采樣率。在PDM麥克風(fēng)方案中，這種抽取是在編解碼器或DSP中實(shí)現(xiàn)的，但在I2S麥克風(fēng)方案中，這個(gè)抽取過(guò)程直接在麥克風(fēng)中完成，因此在某些系統(tǒng)中可以完全取消ADC或編解碼器。
I2S麥克風(fēng)可以直接連接具有這種標(biāo)準(zhǔn)接口的DSP或微控制器(圖8)。與PDM麥克風(fēng)一樣，兩個(gè)I2S麥克風(fēng)可以連接到一條公共的數(shù)據(jù)線上，不過(guò)與PDM不同的是，I2S格式使用兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)——一個(gè)字時(shí)鐘和一個(gè)位時(shí)鐘。
圖8：連接DSP的立體聲I2S麥克風(fēng)。
在尺寸很重要的情況下
一般來(lái)說(shuō)，模擬MEMS麥克風(fēng)的封裝尺寸要比數(shù)字麥克風(fēng)小。這是因?yàn)槟M麥克風(fēng)封裝需要的引腳較少(一般是3個(gè)，而數(shù)字麥克風(fēng)需要5個(gè)甚至更多)，模擬前置放大器的電路也比數(shù)字的少，因此采用相同制作工藝制造的模擬前放要比數(shù)字前放小。在大多數(shù)空間受約束的設(shè)計(jì)中，比如許多小型移動(dòng)設(shè)備中，模擬麥克風(fēng)因?yàn)槌叽缧《軞g迎。
模擬麥克風(fēng)的封裝尺寸可以是2.5×3.35×0.88 mm或更小，而PDM麥克風(fēng)的封裝尺寸通常是3×4×1 mm，在封裝體積上增加了62%。
模擬和數(shù)字MEMS麥克風(fēng)在不同的應(yīng)用中都可以發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)。綜合系統(tǒng)體積和元器件的布局的限制、電氣連接和潛在的噪聲源及干擾等考慮因素，我們就可以作出最適合當(dāng)前設(shè)計(jì)的麥克風(fēng)的決策。
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