模拟和数字MEMS麦克风设计考虑 麦克风

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作者：Jerad Lewis，ADI公司MEMS麦克风应用工程师

麦克风是一种将声压波转换为电信号的换能器。在音频信号链中有越来越多的传感器与其它元件集成在一起，MEMS技术则使得麦克风越来越小，并且可以提供模拟或数字输出。

模拟和数字麦克风输出信号在设计中显然有不同的考虑因素。本文要讨论将模拟和数字MEMS麦克风集成进系统设计时的差别和需要考虑的因素。

MEMS麦克风内部细节

MEMS麦克风输出并不是直接来自MEMS换能单元。换能器实质上是一个可变电容，并且具有特别高的兆欧级输出阻抗。

在麦克风封装中，换能器信号先被送往前置放大器，而这个放大器的首要功能是阻抗变换，当麦克风接进音频信号链时将输出阻抗降低到更合适的值。麦克风的输出电路也是在这个前置放大电路中实现的。

对于模拟MEMS麦克风来说，图1所示的这种电路基本上是一个具有特殊输出阻抗的放大器。在数字MEMS麦克风中，这个放大器与模数转换器(ADC)集成在一起，以脉冲密度调制(PDM)或I2S格式提供数字输出。



图1：典型的模拟MEMS麦克风框图。

图2是PDM输出MEMS麦克风的功能框图，图3是典型的I2S输出数字麦克风。I2S麦克风包含PDM麦克风中的所有数字电路，还包含抽取滤波器和串口。



图2：典型的PDM MEMS麦克风框图。



图3：典型的I2S MEMS麦克风框图。

MEMS麦克风封装在半导体器件中比较独特，因为在封装中有一个洞，用于声学能量抵达换能单元。在这个封装内部，MEMS麦克风换能器和模拟或数字ASIC绑定在一起，并安装在一个公共的叠层上。然后在叠层上方又绑定一个盖子，用于封住换能器和ASIC。这种叠层通常是一小块PCB，用于将IC出来的信号连接到麦克风封装外部的引脚上。

图4和图5分别显示了模拟和数字MEMS麦克风的内部细节。在这些图片中，你可以看到左边的换能器和右边的ASIC(在环氧树脂底下)，两者都安装在叠层上。数字麦克风有额外的绑定线将来自ASIC的电气信号连接到叠层。



图4：模拟MEMS麦克风中的换能器和ASIC。



图5：数字MEMS麦克风中的换能器和ASIC。

模拟麦克风

模拟MEMS麦克风的输出阻抗典型值为几百欧姆。这个阻抗要高于运放通常具有的低输出阻抗，因此你需要了解紧随麦克风之后的信号链阻抗。

麦克风后面的低阻抗电路会衰减信号电平。例如，一些编解码器在ADC之前有一个可编程的增益放大器(PGA)。在高增益设置时，PGA的输入阻抗可能只有几千欧姆。输出阻抗为200Ω的MEMS麦克风后面跟一个输入阻抗为2kΩ的PGA将使信号电平衰减近10%。

模拟MEMS麦克风的输出通常被偏置为地和电源电压之间的某个直流电压值。这个偏置电压的选择原则是最大幅度的输出信号峰值不会被电源电压或地电位限值所钳位。这个直流偏置电压的存在也意味着麦克风通常是通过交流耦合连接后面的放大器或转换器芯片。串联电容的选择原则是，与编解码器或放大器输入阻抗一起形成的高通滤波器电路不会使信号的低频部分滚降位于麦克风自然低频滚降之上。

对于具有100Hz低频-3dB点的麦克风和具有10kΩ输入阻抗的编解码器或放大器来说(两个都是普通值)，即使相对小的1.0?F电容也会将高通滤波器的角频率置为16Hz，这个值远远超出了能够影响麦克风响应的范围。图6显示了这类电路的一个例子，其中的模拟MEMS麦克风连接到了一个同相配置的运放。



图6：模拟麦克风连接到同相运放电路。

数字麦克风

数字麦克风将模数转换功能从编解码器转移进了麦克风，从而实现了从麦克风到处理器的全数字音频捕获通道。数字MEMS麦克风经常在模拟音频信号容易受到干扰的应用中使用。

例如在平板电脑中，麦克风的位置也许不靠近ADC，这两点之间的信号可能会穿越或接近Wi-Fi、蓝牙或蜂窝天线。将这些连接数字化后，它们就不容易受到这些射频干扰而在音频信号中产生噪声或失真。这种拾取有害系统噪声的改进给设计中的麦克风布局提供了很大的灵活性。

在只需要模拟音频接口来连接模拟麦克风的系统中数字麦克风也很有用。在只需要音频捕获但不需要回放的系统中，像监控摄像机中，使用数字输出麦克风后就不需要单独的编解码器或音频转换器了，麦克风可以直接连接数字处理器。

当然，好的数字设计经验仍必须应用于数字麦克风的时钟和数字信号。20Ω至100Ω的小值源端接电阻很有用，它能确保至少数英寸长的走线上有良好的数字信号完整性(图7)。当使用更短的走线长度，或者以较低速率运行数字麦克风时钟时，麦克风引脚可以直接连接到编解码器或DSP，不需要任何无源元件。



图7：PDM麦克风以源端接方式连接到编解码器。

PDM是一种最常见的数字麦克风接口。这种接口允许两个麦克风共享一个公共的时钟与数据线。每个麦克风被配置为在时钟信号的不同沿产生各自的输出。这样两个麦克风的输出就能保持相互同步，设计师就能确保来自每个通道的数据被同时捕获到。

在最坏情况下，从两个麦克风捕获到的数据可能在时间上隔半个时钟信号周期。这种时钟的频率典型值约为3MHz，因此通道内时间差仅为0.16us，远小于听者可以觉察到的阈值。这种相同的同步机制还可以扩展到具有两个以上PDM麦克风的系统中，只需确保所有麦克风都连接到相同的时钟源，并且数据信号都在一起滤波和处理。在使用模拟麦克风的情况下，这种同步实现将上移到ADC。

I2S

多年来I2S一直是音频转换器和处理器的一种通用数字接口，只是最近才被集成进信号链边缘的设备中，比如麦克风。I2S麦克风拥有与PDM麦克风相同的系统设计优势，但不再输出高采样速率的PDM信号，它输出的数字数据采用抽取过的基带音频采样率。在PDM麦克风方案中，这种抽取是在编解码器或DSP中实现的，但在I2S麦克风方案中，这个抽取过程直接在麦克风中完成，因此在某些系统中可以完全取消ADC或编解码器。

I2S麦克风可以直接连接具有这种标准接口的DSP或微控制器(图8)。与PDM麦克风一样，两个I2S麦克风可以连接到一条公共的数据线上，不过与PDM不同的是，I2S格式使用两个时钟信号——一个字时钟和一个位时钟。



图8：连接DSP的立体声I2S麦克风。

在尺寸很重要的情况下

一般来说，模拟MEMS麦克风的封装尺寸要比数字麦克风小。这是因为模拟麦克风封装需要的引脚较少(一般是3个，而数字麦克风需要5个甚至更多)，模拟前置放大器的电路也比数字的少，因此采用相同制作工艺制造的模拟前放要比数字前放小。在大多数空间受约束的设计中，比如许多小型移动设备中，模拟麦克风因为尺寸小而更受欢迎。

模拟麦克风的封装尺寸可以是2.5×3.35×0.88 mm或更小，而PDM麦克风的封装尺寸通常是3×4×1 mm，在封装体积上增加了62%。

模拟和数字MEMS麦克风在不同的应用中都可以发挥自己的优势。综合系统体积和元器件的布局的限制、电气连接和潜在的噪声源及干扰等考虑因素，我们就可以作出最适合当前设计的麦克风的决策。