【導讀】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。

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麥克風內部細節

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。

在(zai)麥(mai)克(ke)風(feng)封(feng)裝(zhuang)中(zhong)，換(huan)能(neng)器(qi)信(xin)號(hao)先(xian)被(bei)送(song)往(wang)前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)器(qi)
，而(er)這(zhe)個(ge)放(fang)大(da)器(qi)的(de)首(shou)要(yao)功(gong)能(neng)是(shi)阻(zu)抗(kang)變(bian)換(huan)
，當(dang)麥(mai)克(ke)風(feng)接(jie)進(jin)音(yin)頻(pin)信(xin)號(hao)鏈(lian)時(shi)將(jiang)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)降(jiang)低(di)到(dao)更(geng)合(he)適(shi)的(de)值(zhi)。麥(mai)克(ke)風(feng)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)路(lu)也(ye)是(shi)在(zai)這(zhe)個(ge)前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)中(zhong)實(shi)現(xian)的(de)。

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。

詳解模擬和數字MEMS麥克風設計區別

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
，還包含抽取濾波器和串口。

圖2：典型的PDMMEMS麥克風框圖

圖3：典型的I2SMEMS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

模擬麥克風

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)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1.0F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

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

PDMshiyizhongchangjiandeshuzimaikefengjiekou。zhezhongjiekouyunxulianggemaikefenggongxiangyigegonggongdeshizhongyushujuxian。meigemaikefengbeipeizhiweizaishizhongxinhaodebutongyanchanshenggezideshuchu。zheyanglianggemaikefengdeshuchujiunengbaochixianghutongbu

，shejishijiunengquebaolaizimeigetongdaodeshujubeitongshibuhuodao。

在壞情況下，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PDMmaikefengdexitongzhong
，zhixuquebaosuoyoumaikefengdoulianjiedaoxiangtongdeshizhongyuan，bingqieshujuxinhaodouzaiyiqilvbohechuli。zaishiyongmonimaikefengdeqingkuangxia
，zhezhongtongbushixianjiangshangyidaoADC。

I2S

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(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

在尺寸很重要的情況下

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)

，模(mo)擬(ni)前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)器(qi)的(de)電(dian)路(lu)也(ye)比(bi)數(shu)字(zi)的(de)少(shao)，因(yin)此(ci)采(cai)用(yong)相(xiang)同(tong)製(zhi)作(zuo)工(gong)藝(yi)製(zhi)造(zao)的(de)模(mo)擬(ni)前(qian)放(fang)要(yao)比(bi)數(shu)字(zi)前(qian)放(fang)小(xiao)。在(zai)大(da)多(duo)數(shu)空(kong)間(jian)受(shou)約(yue)束(shu)的(de)設(she)計(ji)中(zhong)，比(bi)如(ru)許(xu)多(duo)小(xiao)型(xing)移(yi)動(dong)設(she)備(bei)中(zhong)，模(mo)擬(ni)麥(mai)克(ke)風(feng)因(yin)為(wei)尺(chi)寸(cun)小(xiao)而(er)更(geng)受(shou)歡(huan)迎(ying)。

模擬麥克風的封裝尺寸可以是2.5×3.35×0.88mm或更小，而PDM麥克風的封裝尺寸通常是3×4×1mm，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
，我們就可以作出適合當前設計的麥克風的決策。

（來源：中電網）

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