麥克風是一種將聲壓波轉換為電信號的換能器。在音頻信號鏈中有越來越多的傳感器與其它元件集成在一起
，MEMS技術則使得麥克風越來越小，並且可以提供模擬或數字輸出。

 

模擬和數字麥克風輸出信號在設計中顯然有不同的考慮因素。本文要討論將模擬和數字MEMS麥克風集成進係統設計時的差別和需要考慮的因素。

 

 

MEMS麥克風輸出並不是直接來自MEMS換能單元。換能器實質上是一個可變電容，並且具有特別高的兆歐級輸出阻抗。

 

zaimaikefengfengzhuangzhong
，huannengqixinhaoxianbeisongwangqianzhifangdaqi，erzhegefangdaqideshouyaogongnengshizukangbianhuan

，dangmaikefengjiejinyinpinxinhaolianshijiangshuchuzukangjiangdidaogengheshidezhi。maikefengdeshuchudianluyeshizaizhegeqianzhifangdadianluzhongshixiande。

 

對於模擬MEMS麥克風來說，圖1所示的這種電路基本上是一個具有特殊輸出阻抗的放大器。在數字MEMS麥克風中，這個放大器與模數轉換器(ADC)集成在一起，以脈衝密度調製(PDM)或I2S格式提供數字輸出。

圖1：典型的模擬MEMS麥克風框圖。

 

圖2是PDM輸出MEMS麥克風的功能框圖，圖3是典型的I2S輸出數字麥克風。I2S麥克風包含PDM麥克風中的所有數字電路
，還包含抽取濾波器和串口。

圖2：典型的PDM MEMS麥克風框圖。

圖3：典型的I2S MEMS麥克風框圖。

 

MEMS麥克風封裝在半導體器件中比較獨特，因為在封裝中有一個洞，用於聲學能量抵達換能單元。在這個封裝內部，MEMS麥克風換能器和模擬或數字ASIC綁定在一起，並安裝在一個公共的疊層上。然後在疊層上方又綁定一個蓋子

，用於封住換能器和ASIC。這種疊層通常是一小塊PCB，用於將IC出來的信號連接到麥克風封裝外部的引腳上。

 

圖4和圖5分別顯示了模擬和數字MEMS麥克風的內部細節。在這些圖片中
，你可以看到左邊的換能器和右邊的ASIC(在環氧樹脂底下)，兩者都安裝在疊層上。數字麥克風有額外的綁定線將來自ASIC的電氣信號連接到疊層。

圖4：模擬MEMS麥克風中的換能器和ASIC。

圖5：數字MEMS麥克風中的換能器和ASIC。

 

 

模擬MEMS麥克風的輸出阻抗典型值為幾百歐姆。這個阻抗要高於運放通常具有的低輸出阻抗，因此你需要了解緊隨麥克風之後的信號鏈阻抗。

 

麥克風後麵的低阻抗電路會衰減信號電平。例如，一些編解碼器在ADC之前有一個可編程的增益放大器(PGA)。在高增益設置時
，PGA的輸入阻抗可能隻有幾千歐姆。輸出阻抗為200Ω的MEMS麥克風後麵跟一個輸入阻抗為2kΩ的PGA將使信號電平衰減近10%。

 

模擬MEMS麥mai克ke風feng的de輸shu出chu通tong常chang被bei偏pian置zhi為wei地di和he電dian源yuan電dian壓ya之zhi間jian的de某mou個ge直zhi流liu電dian壓ya值zhi。這zhe個ge偏pian置zhi電dian壓ya的de選xuan擇ze原yuan則ze是shi最zui大da幅fu度du的de輸shu出chu信xin號hao峰feng值zhi不bu會hui被bei電dian源yuan電dian壓ya或huo地di電dian位wei限xian值zhi所suo鉗qian位wei。這zhe個ge直zhi流liu偏pian置zhi電dian壓ya的de存cun在zai也ye意yi味wei著zhe麥mai克ke風feng通tong常chang是shi通tong過guo交jiao流liu耦ou合he連lian接jie後hou麵mian的de放fang大da器qi或huo轉zhuan換huan器qi芯xin片pian。串chuan聯lian電dian容rong的de選xuan擇ze原yuan則ze是shi
，與yu編bian解jie碼ma器qi或huo放fang大da器qi輸shu入ru阻zu抗kang一yi起qi形xing成cheng的de高gao通tong濾lv波bo器qi電dian路lu不bu會hui使shi信xin號hao的de低di頻pin部bu分fen滾gun降jiang位wei於yu麥mai克ke風feng自zi然ran低di頻pin滾gun降jiang之zhi上shang。

 

對於具有100Hz低頻-3dB點的麥克風和具有10kΩ輸入阻抗的編解碼器或放大器來說(兩個都是普通值)
，即使相對小的1.0?F電容也會將高通濾波器的角頻率置為16Hz，這個值遠遠超出了能夠影響麥克風響應的範圍。圖6顯示了這類電路的一個例子
，其中的模擬MEMS麥克風連接到了一個同相配置的運放。

圖6：模擬麥克風連接到同相運放電路。

 

 

數字麥克風將模數轉換功能從編解碼器轉移進了麥克風，從而實現了從麥克風到處理器的全數字音頻捕獲通道。數字MEMS麥克風經常在模擬音頻信號容易受到幹擾的應用中使用。

 

例如在平板電腦中，麥克風的位置也許不靠近ADC，這兩點之間的信號可能會穿越或接近Wi-Fi
、lanyahuofengwotianxian。jiangzhexielianjieshuzihuahou，tamenjiuburongyishoudaozhexieshepinganraoerzaiyinpinxinhaozhongchanshengzaoshenghuoshizhen。zhezhongshiquyouhaixitongzaoshengdegaijingeishejizhongdemaikefengbujutigonglehendadelinghuoxing。

 

在(zai)隻(zhi)需(xu)要(yao)模(mo)擬(ni)音(yin)頻(pin)接(jie)口(kou)來(lai)連(lian)接(jie)模(mo)擬(ni)麥(mai)克(ke)風(feng)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)數(shu)字(zi)麥(mai)克(ke)風(feng)也(ye)很(hen)有(you)用(yong)。在(zai)隻(zhi)需(xu)要(yao)音(yin)頻(pin)捕(bu)獲(huo)但(dan)不(bu)需(xu)要(yao)回(hui)放(fang)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)，像(xiang)監(jian)控(kong)攝(she)像(xiang)機(ji)中(zhong)，使(shi)用(yong)數(shu)字(zi)輸(shu)出(chu)麥(mai)克(ke)風(feng)後(hou)就(jiu)不(bu)需(xu)要(yao)單(dan)獨(du)的(de)編(bian)解(jie)碼(ma)器(qi)或(huo)音(yin)頻(pin)轉(zhuan)換(huan)器(qi)了(le)，麥(mai)克(ke)風(feng)可(ke)以(yi)直(zhi)接(jie)連(lian)接(jie)數(shu)字(zi)處(chu)理(li)器(qi)。

 

當然，好的數字設計經驗仍必須應用於數字麥克風的時鍾和數字信號。20Ω至100Ω的小值源端接電阻很有用，它能確保至少數英寸長的走線上有良好的數字信號完整性(圖7)。當使用更短的走線長度，或者以較低速率運行數字麥克風時鍾時
，麥克風引腳可以直接連接到編解碼器或DSP
，不需要任何無源元件。

圖7：PDM麥克風以源端接方式連接到編解碼器。

 

PDM是(shi)一(yi)種(zhong)最(zui)常(chang)見(jian)的(de)數(shu)字(zi)麥(mai)克(ke)風(feng)接(jie)口(kou)。這(zhe)種(zhong)接(jie)口(kou)允(yun)許(xu)兩(liang)個(ge)麥(mai)克(ke)風(feng)共(gong)享(xiang)一(yi)個(ge)公(gong)共(gong)的(de)時(shi)鍾(zhong)與(yu)數(shu)據(ju)線(xian)。每(mei)個(ge)麥(mai)克(ke)風(feng)被(bei)配(pei)置(zhi)為(wei)在(zai)時(shi)鍾(zhong)信(xin)號(hao)的(de)不(bu)同(tong)沿(yan)產(chan)生(sheng)各(ge)自(zi)的(de)輸(shu)出(chu)。這(zhe)樣(yang)兩(liang)個(ge)麥(mai)克(ke)風(feng)的(de)輸(shu)出(chu)就(jiu)能(neng)保(bao)持(chi)相(xiang)互(hu)同(tong)步(bu)，設(she)計(ji)師(shi)就(jiu)能(neng)確(que)保(bao)來(lai)自(zi)每(mei)個(ge)通(tong)道(dao)的(de)數(shu)據(ju)被(bei)同(tong)時(shi)捕(bu)獲(huo)到(dao)。

 

在最壞情況下，從兩個麥克風捕獲到的數據可能在時間上隔半個時鍾信號周期。這種時鍾的頻率典型值約為3MHz
，因此通道內時間差僅為0.16us，遠小於聽者可以覺察到的閾值。這種相同的同步機製還可以擴展到具有兩個以上PDM麥mai克ke風feng的de係xi統tong中zhong
，隻zhi需xu確que保bao所suo有you麥mai克ke風feng都dou連lian接jie到dao相xiang同tong的de時shi鍾zhong源yuan，並bing且qie數shu據ju信xin號hao都dou在zai一yi起qi濾lv波bo和he處chu理li。在zai使shi用yong模mo擬ni麥mai克ke風feng的de情qing況kuang下xia
，這zhe種zhong同tong步bu實shi現xian將jiang上shang移yi到daoADC。

 

 

多年來I2S一直是音頻轉換器和處理器的一種通用數字接口
，隻是最近才被集成進信號鏈邊緣的設備中，比如麥克風。I2S麥克風擁有與PDM麥克風相同的係統設計優勢
，但不再輸出高采樣速率的PDM信號

，它輸出的數字數據采用抽取過的基帶音頻采樣率。在PDM麥克風方案中，這種抽取是在編解碼器或DSP中實現的，但在I2S麥克風方案中
，這個抽取過程直接在麥克風中完成，因此在某些係統中可以完全取消ADC或編解碼器。

 

I2S麥克風可以直接連接具有這種標準接口的DSP或微控製器(圖8)。與PDM麥克風一樣，兩個I2S麥克風可以連接到一條公共的數據線上，不過與PDM不同的是，I2S格式使用兩個時鍾信號——一個字時鍾和一個位時鍾。

圖8：連接DSP的立體聲I2S麥克風。

 

 

一般來說，模擬MEMS麥克風的封裝尺寸要比數字麥克風小。這是因為模擬麥克風封裝需要的引腳較少(一般是3個，而數字麥克風需要5個甚至更多)，moniqianzhifangdaqidedianluyebishuzideshao，yincicaiyongxiangtongzhizuogongyizhizaodemoniqianfangyaobishuziqianfangxiao。zaidaduoshukongjianshouyueshudeshejizhong，biruxuduoxiaoxingyidongshebeizhong
，monimaikefengyinweichicunxiaoergengshouhuanying。

 

模擬麥克風的封裝尺寸可以是2.5×3.35×0.88 mm或更小，而PDM麥克風的封裝尺寸通常是3×4×1 mm，在封裝體積上增加了62%。

 

模擬和數字MEMS麥克風在不同的應用中都可以發揮自己的優勢。綜合係統體積和元器件的布局的限製
、電氣連接和潛在的噪聲源及幹擾等考慮因素，我們就可以作出最適合當前設計的麥克風的決策。