南频-选型麦克风

标题: MS-2472,?Analog and Digital MEMS Microphone Design Considerations

麦克风是一个换能器，转换声压波成电子信号。传感器带其它元件变得更加集成在音频信号链上，且MEMS技术使能了麦克风变得更小，要么带模拟要么带数字输出。模拟和数字麦克风输出信号在一个设计的时候明显有不同的因素需要考虑。我将考察当集成模拟和数字硅麦到一个系统时的不同和设计考虑。

图1: 典型的模拟硅麦克风模块图

一,一个硅麦克风的内部

图2: 典型的PDM硅麦克风模块图

一个硅麦克风的输出不是直接来自于MEMS换能单元。换能器基本上就是一个可变电容，带非常大的输出阻抗在千兆欧姆的范围。在麦克风封装的内部，换能器的信号是发送至一个前置放大器，它的首要功能是一个阻抗转换器，当麦克风是连接至一个音频信号链时,来将输出阻抗降低至更加用得着的。麦克风的输出电路也执行了这个前置放大。对于一个模拟的MEMS麦克风，其功能模块如图1所示，电路基本上就是带一个特定输出阻抗的一个放大器。在一个数字硅麦克风中，放大器集成了一个ADC来提供PDM或I2S格式的一个数字输出。图2显示了一个PDM输出的硅麦克风数字麦克风,图3显示出了一个典型的I2S输出数字麦克风。一个I2S的麦克风包括了PDM麦克风拥有的所有数字电路，还有一个抽取滤波器和串口。

图3: 典型的I2S硅麦克风模块图

在半导体元件中，一个硅麦克风的封装是独特的，在其封装中有一个孔给声学能量来到达换能器单元。在封装内部，硅麦克风换能器和模拟（或数字）ASiC是绑定到一起,且装配到一个公共的基板上。

图4: 一个模拟硅麦克风的换能器和ASiC

然后一个盖子黏合到基板的上方来将换能器和ASiC包围起来。此基材基本上就是一个小的PCB，用来从iC上走信号到麦克风封装外面的脚。图4和图5分别显示了模拟和数字硅麦克风的内部结构。

图5:?一个数字硅麦克风的换能器和ASiC

在图中你可以看到二者都是左边的换能器和右边的ASiC（在环氧树脂下面）装配在基材上面。数字麦克风有额外的绑定线来从ASiC上面连接电子信号到基材。

二，模拟麦克风

一个模拟麦克风的输出阻抗通常是几佰欧姆。这是高于一个运放具备的典型低输出阻抗，所以你应该知悉紧接麦克风之后的信号链阶段的阻抗。麦克风之后的低阻阶段会衰减信号电平。例如，有些CODEC在ADC这前有一个可编程增益的放大器（PGA）。在高增益设置时，PGA的输入阻抗可能只有数千欧姆。在一个200欧姆输出阻抗硅麦克风之后的带2000欧姆输入阻抗的PGA会衰减几乎10%的信号电平。一个模拟硅麦克风的输出在地和供电之间的某处被一个直流电压所偏置的。选择此偏置电压以致于最高幅度输出信号的峰值不会被供电或地电压限制所削顶。此DC偏置的存在也意味着麦克风将通常AC耦合到紧跟的放大器或转换器芯片。需要选择串联电容以组成高通滤波器电路，CODEC或放大器的输入阻抗不会降低信号的低频，在麦克风的本身的低频响应下降。对于一个100HZ低频的麦克风，3dB点和一个CODEC或一个10kΩ输入阻抗的放大器（二者都是普通值），甚至一个相对小的1.0uF的电容将高通滤波器的拐点移动至16HZ，远在它会影响麦克风响应的范围。图6显示了此类电路的举例，用一个模拟的硅麦克风在非倒向的配置下，连接到一个运放。

图6: 模拟麦克风连接到一个非倒向的运放电路

三,数字麦克风

数字麦克风将ADC转换功能从CODEC移走至麦克风，使能了从麦克风到处理器的所有数字化音频捕捉路径。数字麦克风经常用在模拟信号易受干扰的场景。例如在一个平板电脑中，麦克风的放置可能不会靠近ADC。所以在这两个点之间的信号会偶然遇到或靠近WIFI，蓝牙或手机天线。将这些连接数字化之后，它们就更不容易拾取这些RF干扰，且在音频信号上产生噪声或失真。这个在拾取不想要的系统噪声的改进提供了设计中如何放置麦克风的巨大的灵活性。

在除非只是一个模拟音频接口来连接到一个模拟麦克风时，数字麦克风都是有用的。在一个只是音频捕捉而无回放的系统，比如一个监控摄像头，一个数字输出的麦克风革除了一个分立的CODEC或音频转换器的需要，麦克风能直接地连接到一个数字处理器。

图7: PDM麦克风用源端连接到Codec

当然，良好的数字设计实践必须仍然用在一个数字麦克风的时钟和数字信号上。小数值（20Ω至100Ω）的源端电阻通常是需要的，来确保良好的数字信号在走线通常至少是数英寸的长度的完整性（图7）。对于短走线距离，或者在低速率运行数字麦克风时钟时，是可以将麦克风的脚直接连接到CODEC或DSP的，而不需要任何的被动器件。

PDM是最常用的数字麦克风接口；此格式使得两个麦克风共享一个公共时钟和数据线。麦克风们各自被配置或在时钟信号的不同沿来产生它们的输出。这就保持了两个麦克风之间的输出相互同步，所以设计师能被确信来自两个通道的每个数据是同时捕捉的。在最差的情况，两个麦克风采集到的数据将被时钟信号的半个同期从时间上分开。此时钟的频率通常在3MHZ，这会导致通道间的时差只有16us-远低于听者能够察觉的门限。这个同样的同步可以扩展至大于两个PDM麦克风的系统，只是简单地确保所有的麦克风是连接到了同样的时钟源，且数字信号所有都是在一起滤波和处理。如果采用模拟麦克风的话，这个同步是交给ADC来完成的。

图8: 立体声I2S麦克风连接到DSP

I2S成为一个通用的数字接口给音频转换器和处理器已经许多年了，但是直到现在才被集成到了信号链的边缘器件上,比如麦克风。一个I2S麦克风有如一个PDM麦克风那样的系统设计优势，相反于输出一个高采样率的PDM输出，它的数字数据是在一个抽取的基带音频采样率下输出的。用一PDM麦克风的话，此抽取在CODEC或DSP发生，但是这样的处理在I2S麦克风则是直接在麦克风内部完成，这在某些系统中能彻底革除一个ADC或CODEC?。一个I2S麦克风能直接连接到一个DSP或单片机的这个标准接口用于处理（图8）。就像有PDM麦克风那样，两颗I2S麦克风能连接至一个公共数据线，尽管I2S格式使用了两个时钟信号，一个字时钟和一个位时钟，而不是PDM的一个时钟。

四，当尺寸重要时

通常来讲,模拟麦克风的尺寸是小于数字麦克风的。这是因为一个模拟麦克风的封装要更少的脚位（通常是三脚，相比数字麦克风的5脚或更多）,且模拟前置放大器的电路比一个数字前置放大器少。这就使得了在一个同样的晶圆制造几何生产下，模拟前置放大器的尺寸小于一个数字前置放大器。继而，在最空间紧凑的设计中，比如在许多的小型移动设备，由于其小的尺寸，在某种程度上模拟麦克风是被优先考虑的。一个模拟麦克风的封装尺寸可以是2.5x3.35x0.88mm或更小，而PDM麦克风通常是3x4x1mm，封装体积增加了62%。

图9: 麦克风封装尺寸的对比

图9显示了三种下开孔麦克风封装的对比。最小尺寸的是ADMP504，一个模拟麦克风的尺寸2.5x3.35s0.88mm;中尺寸的麦克风是ADMP521，一个PDM麦克风的尺寸3x4x1mm;最大封装的麦克风是ADMP441，一个I2S麦克风的尺寸3.76x4.72x1.0mm。最后一款麦克风具备这么大的尺寸来支持其9个脚。除了大尺寸之外，像这样的麦克风是和模拟麦克风加ADC一起在性能上可比的,假如ADC不需要的话,PCB面积的节约是优于更大的脚位麦克风。

模拟和数字麦克风二者在不同的应用中都有优势。考虑到系统的尺寸和元件摆放,电子连接，和潜在的噪声和干扰源的限制,在哪一类的麦克风最适合于你的设计上将会产生一个见多识广的决策。

相关阅读(直接点击文字即可弹出内容)

1,?硅麦克风-助听器的未来

2,?亚马逊的Tap:开放免提,但是电池寿命玩完

3,?白皮书:避免粘附,语音界面的祸根

4,?白皮书:智能一切和麦克风阵列的兴起(1/7)

5,?白皮书:智能一切和麦克风阵列的兴起(2 /7)

6,?白皮书:智能一切和麦克风阵列的兴起(3 /7)

7,?白皮书:智能一切和麦克风阵列的兴起(4 /7)

8,?白皮书:智能一切和麦克风阵列的兴起(5 /7)

9,?白皮书:智能一切和麦克风阵列的兴起(6 /7)

10,?白皮书:智能一切和麦克风阵列的兴起(7//7)