中心議題：

• 微型數字傳聲器技術
• 微型數字傳聲器應用
• 微型數字傳聲器發展

解決方案：

• 內置式數字傳聲器IC芯片普遍采用∑一△模數轉換編碼格式
• 數字傳聲器普遍使用的∑一△ADC采用了1 bit變換技術

1  引言

近(jin)幾(ji)年(nian)中(zhong)國(guo)微(wei)型(xing)傳(chuan)聲(sheng)器(qi)產(chan)業(ye)正(zheng)在(zai)飛(fei)速(su)增(zeng)長(chang)，尤(you)其(qi)微(wei)型(xing)數(shu)字(zi)傳(chuan)聲(sheng)器(qi)的(de)應(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)日(ri)益(yi)高(gao)漲(zhang)，作(zuo)為(wei)傳(chuan)聲(sheng)器(qi)技(ji)術(shu)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)分(fen)支(zhi)
，在(zai)目(mu)前(qian)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)的(de)手(shou)機(ji)
、筆記本式計算機、平ping板ban計ji算suan機ji等deng多duo種zhong數shu字zi消xiao費fei領ling域yu中zhong有you著zhe非fei常chang廣guang闊kuo的de應ying用yong前qian途tu
，並bing且qie已yi經jing顯xian示shi出chu加jia速su發fa展zhan的de趨qu勢shi。下xia麵mian重zhong點dian介jie紹shao此ci類lei微wei型xing數shu字zi傳chuan聲sheng器qi的de技ji術shu與yu發fa展zhan。

2  微型數字傳聲器技術　　

2.1微型數字傳聲器原理　　

數字傳聲器，顧名思義就是直接輸出數字脈衝信號的傳聲器電聲器件。從應用角度來劃分

，可以分為兩類：一類為USB接口的數字傳聲器
，其核心電聲換能器件仍為模擬音頻輸出信號，經過USB接口音效芯片轉換為PC格式的數字信號輸出接口
，此類傳聲器多數作為PC周邊配套外設，如USB接口錄音傳聲器
、USB接口耳麥等，嚴格說來，此類數字傳聲器應稱為數字接口傳聲器。另一類為真正意義上的數字傳聲器，此類傳聲器采用內置阻抗變換、前置增益、A/D編碼器的IC芯片，作為電聲換能器件直接輸出的便是脈衝數字信號，可以直接與相應的編解碼芯片（ CODEC）進行數字信號的傳輸。數字傳聲器接口原理如圖1
 

圖1  數字傳聲器接口原理圖　　

suizhejisuanjijishuduiguangdaxiaofeidianzilingyuderiyishentou，shuzijishuzaiyinshipinlingyudeyingyongyijingwuchubuzai。zaoqiyinpinchulixinpianjuncaiyongmonichuanshengqijiekoujishu，youyinxiaoxinpiandeA/D部分完成模擬音頻信號到數字信號的轉換。由於數字技術的日漸成熟，越來越多的IC設計公司開始設計出帶數字傳聲器接口的新型音頻芯片（ HAD CODEC）及DSP芯片，由此推動了微型數字傳聲器的研發與應用。　　

2.2數字傳聲器A/D變換原理　　

目前國際上IC廠商推向市場的內置式數字傳聲器IC芯片普遍采用∑一△模數轉換編碼格式
，此編碼格式與相關應用設備采用的DSP及CODEC芯片的數字傳聲器輸入接口格式相兼容。　　

與常規PCM編碼器不同，∑一△變換采用過取樣技術，將信號按時間分割
，保持幅度恒定，具有高取樣率、噪聲整形和比特字長短的特點。變換可以在高取樣率
、低分辨率的量化器中進行，可廣泛用於音頻信號數字化的∑一△模數編碼器（ADC）及數字信號還原為模擬音頻信號的∑一△數模解碼器（ DAC）。　　

∑一△變換時根據采用的具體結構可采用I bit或多比特變換
，目前數字傳聲器普遍使用的∑一△ADC采用了1 bit變換技術，克服了采用多比特變換時所帶來的量化非線性誤差
、糾錯困難的缺點。　　

數字傳聲器結構及模數轉換芯片原理見圖2.
 

圖2數字傳聲器結構及模數轉換芯片原理圖　　

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2.2.1∑一△轉換器　　

模擬信號轉換成PCM信號，根據奈奎斯特準則，通常必須用大於采樣樣本最高頻率2倍bei以yi上shang的de固gu定ding采cai樣yang率lv對dui模mo擬ni信xin號hao采cai樣yang後hou進jin行xing量liang化hua編bian碼ma，每mei個ge采cai樣yang點dian可ke以yi用yong多duo位wei比bi特te的de數shu據ju量liang化hua。量liang化hua比bi特te數shu越yue多duo
，采cai樣yang精jing確que越yue高gao，失shi真zhen越yue小xiao
，但dan是shi電dian路lu會hui變bian複fu雜za，成cheng本ben相xiang對dui增zeng高gao
，不bu適shi合he低di成cheng本ben數shu字zi傳chuan聲sheng器qi模mo數shu轉zhuan換huan應ying用yong。微wei型xing數shu字zi傳chuan聲sheng器qi通tong常chang采cai用yong1位∑一△模數轉換器，對模擬信號進行過采樣（隻能用於帶寬有限的信號，不適合寬頻信號，例如視頻信號）
，采樣率由外部時鍾提供。過采樣可使量化噪聲遠離被采樣的音頻信號。離信號主頻？s越近，噪聲幅度越小。同時對抗混疊濾波器的要求大大降低，可以達到很高的精度，具體原理及時序圖分別見圖3和圖4.
 

圖3  l bit∑一△轉換器

圖4∑一△轉換器時序圖

2.2.2取樣時鍾與音頻帶寬上限的關係　　

微型數字傳聲器音頻帶寬（ BW）上限取決於時鍾（ CLK）與2倍過采樣率（OSR）之比。l bit∑一△轉換器（ADC）的過采樣率OSR= 60.音頻帶寬計算公式如下　　

BW= CLK/（2×60）    （1）　　

例如：1.2 MHz clk→BW= 1.2 M/（2 x60）=10 kHz　　

取樣時鍾與音頻帶寬上限的關係見表1.
 

表1  取樣時鍾頻率與音頻帶寬上限對應表　　

 

2.3微機電（MEMS）數字傳聲器　　

業內人士分析，2012年以後，微機電（ MEMS）傳聲器市場將真正開始走上發展快車道。微機電（ MEMS）傳聲器尤其是微機電（MEMS）數字傳聲器的大量新應用已經湧現出來。包括：手持設備、有源降噪耳機
、錄音機

、攝像機、用於VoIP的筆記本式計算機、數碼相機
、MP3播放機和交互式遊戲機。廣泛應用於消費電子產品的語音控製被認為是一個利潤豐厚的市場。汽車上的免提通信和導航設備也是微機電（ MEMS）傳聲器一個具有增長潛力的市場。　　
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雖然駐極體（ ECM）數字傳聲器較微機電（MEMS）數字傳聲器目前還有一定的價格優勢
，但是微機電（ MEMS）數字傳聲器在尺寸（小至2.6 mm×1.6 mm×1.0 mm）、結構（後進聲形式）、耐熱性（可回流焊）以及長期穩定性上都具有較大優勢

，仍是新型數字消費產品設計時優先考慮的電聲采購器件。　　

微機電（ MEMS）數字傳聲器主要由微機電換能器（ MEMS sensor）
、內含充電電荷泵的數字傳聲器專用芯片（ASIC）、印刷電路基板（PCB）及屏蔽外殼組成。微機電（ MEMS）數字傳聲器原理與封裝結構圖分別如圖5、圖6所示。
 

圖5微機電（ MEMS）數字傳聲器原理圖

圖6微機電（MEMS）數字傳聲器封裝結構　　

3  微型數字傳聲器應用

數字ECM或MEMS傳聲器和傳統的ECM傳聲器相比
，有著不可取代的優勢。首先，移動設備向小型化數字化發展
，急需數字拾音器件和技術與之配套；第二，數字設備包含的功能單元越來越多，如筆記本式計算機，集成了藍牙和WiFi無線功能，傳聲器的安裝位置距離這些幹擾源很近
，設備對傳聲器抗幹擾性能的要求越來越高；第三，隨著三網合一的發展，需要上網、視頻和語音傳輸可以同時進行，這在移動設備中通常會遇到環境背景噪聲和線路回聲的影響；第四
，從提高生產效率的角度考慮，希望對傳聲器元件采用SMT工藝焊接組裝。數字傳聲器尤其是具有集成電路本質的微機電（ MEMS）數字傳聲器更加適合SMT焊(han)接(jie)組(zu)裝(zhuang)工(gong)藝(yi)，為(wei)了(le)解(jie)決(jue)係(xi)統(tong)各(ge)種(zhong)射(she)頻(pin)幹(gan)擾(rao)對(dui)語(yu)音(yin)通(tong)信(xin)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲(sheng)
，數(shu)字(zi)傳(chuan)聲(sheng)器(qi)尤(you)其(qi)適(shi)用(yong)於(yu)通(tong)過(guo)算(suan)法(fa)編(bian)程(cheng)達(da)到(dao)陣(zhen)列(lie)拾(shi)音(yin)技(ji)術(shu)的(de)實(shi)現(xian)，對(dui)於(yu)抑(yi)製(zhi)環(huan)境(jing)背(bei)景(jing)噪(zao)聲(sheng)和(he)消(xiao)除(chu)通(tong)話(hua)時(shi)的(de)線(xian)路(lu)回(hui)聲(sheng)方(fang)麵(mian)具(ju)有(you)突(tu)出(chu)的(de)技(ji)術(shu)優(you)勢(shi)，數(shu)字(zi)傳(chuan)聲(sheng)器(qi)輸(shu)出(chu)接(jie)口(kou)格(ge)式(shi)同(tong)數(shu)字(zi)處(chu)理(li)係(xi)統(tong)具(ju)有(you)高(gao)度(du)的(de)接(jie)口(kou)兼(jian)容(rong)性(xing)。數(shu)字(zi)傳(chuan)聲(sheng)器(qi)的(de)應(ying)用(yong)見(jian)圖(tu)7~8.
 

圖7  數字傳聲器構成的傳聲器陣列及應用

圖8  數字傳聲器的廣泛應用

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4 微型數字傳聲器現狀與發展　　

目前
，數字傳聲器的應用已經日益普遍
，但要取得微型傳聲器市場主角地位仍需時日

，目前傳統微型傳聲器仍在市場中占據主流地位。2008年是全球數字傳聲器市場崛起之年
，2008年全球傳聲器市場產量約為28億隻，MEMS傳聲器產量約為3.3億隻
，其中ECM數字傳聲器產量據不完全統計，國內綜合出貨量約為l億隻左右。在2009年期間，由於經曆了全球性經濟衰退
，數字傳聲器的強勁成長態勢出現了較大的減緩。　　

盡管曆經2009年的衰退，但在移動手持裝置與其他類似應用的強力驅動下
，2010年(nian)以(yi)來(lai)數(shu)字(zi)傳(chuan)聲(sheng)器(qi)市(shi)場(chang)已(yi)經(jing)明(ming)確(que)顯(xian)現(xian)出(chu)強(qiang)勢(shi)複(fu)蘇(su)的(de)勢(shi)頭(tou)，數(shu)字(zi)傳(chuan)聲(sheng)器(qi)應(ying)用(yong)市(shi)場(chang)也(ye)從(cong)以(yi)筆(bi)記(ji)本(ben)式(shi)計(ji)算(suan)機(ji)為(wei)主(zhu)的(de)市(shi)場(chang)擴(kuo)大(da)至(zhi)新(xin)型(xing)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)為(wei)主(zhu)的(de)領(ling)域(yu)。尤(you)其(qi)是(shi)全(quan)球(qiu)微(wei)機(ji)電(dian)（MEMS）傳聲器市場的強勢發展，可以預計數字傳聲器尤其是微機電（ MEMS）數字傳聲器占據傳聲器主流市場的時日不會太遠了。　　

2010年全球微型駐極體傳聲器應用領域市場分布見圖9;2007 - 2015年全球微型駐極體傳聲器銷量發展趨勢見圖10;2006 - 2013年全球微機電（ MEMS）傳聲器市場預測見圖11.
 

圖9 2010年全球微型駐極體傳聲器應用領域市場分布（按需求量）

圖10  2007 - 2015年全球微型駐極體傳聲器銷量發展趨勢（2011年後為預測）　　

近期美國iSuppli發表預測稱，2013年全球微機電（ MEMS）傳聲器市場將擴大至12億隻的規模。而原先2009年9月的預測為，"2013年將從2008年的約3億隻擴大至11億隻".與原來的預測相比，2013年的預測值增加了1億隻。此次上調預測的根據如下：以美國穀歌的智能手機"Nexus One"和摩托羅拉的手機"DROID"采用消除周圍噪聲的主動降噪（Active Noise Cancel）功能為契機，預計微機電（MEMS）傳聲器麵向手機市場的用途將迅速擴大　　

其具體理由如下：　　

（1）為了實現主動降噪功能
，Nexus One和DROID配備了2隻以上的微機電（MEMS）傳聲器和專用噪聲控製大規模集成芯片（ LSI）。　　

（2）作為麵向主動降噪功能的的傳聲器，微機電（ MEMS）傳聲器相對於現有的駐極體傳聲器（Electret Condenser Microphone）具有優勢。原因是，微機電（ MEMS）傳聲器尺寸小
、靈敏度高、信噪比高、與數字信號處理器（ DSP）具有較高的適應性。　　

（3）另外，頭戴式耳機也越來越多地采用主動降噪功能。芬蘭諾基亞2009年2月發布了使用10隻微機電（ MEMS）傳聲器、配備有主動降噪功能的頭戴式耳機。該主動降噪功能由諾基亞和英國歐勝微電子（Wolfson Microelectronics）共同開發。索尼也發布了可將周圍噪聲最大降低99%的頭戴式耳機。　　

除手機以外的其他產品也越來越多地配備微機電（MEMS）傳聲器。iSuppli稱進行拆解時發現
，美國蘋果帶視頻拍攝功能的"iPod nano"配備有美國模擬器件公司的微機電（ MEMS）傳聲器。此外，筆記本式計算機中配備兩隻微機電（ MEMS）傳聲器的產品不斷增多。
 

圖11  美國iSuppli發布的全球微機電（MEMS）傳聲器市場預測　　

5  結束語　　

微型傳聲器作為電聲器件領域的一個重要分支，是一支具有強大生命力的生力軍。自20世紀70年代末駐極體電容傳聲器（ ECM）引(yin)入(ru)中(zhong)國(guo)以(yi)來(lai)
，其(qi)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)的(de)廣(guang)泛(fan)與(yu)產(chan)量(liang)的(de)激(ji)增(zeng)，遠(yuan)遠(yuan)超(chao)出(chu)了(le)任(ren)何(he)人(ren)的(de)預(yu)期(qi)與(yu)規(gui)劃(hua)，消(xiao)費(fei)領(ling)域(yu)數(shu)碼(ma)產(chan)品(pin)層(ceng)出(chu)不(bu)窮(qiong)地(di)更(geng)新(xin)換(huan)代(dai)，更(geng)加(jia)說(shuo)明(ming)微(wei)型(xing)傳(chuan)聲(sheng)器(qi)尤(you)其(qi)是(shi)微(wei)型(xing)數(shu)字(zi)傳(chuan)聲(sheng)器(qi)的(de)市(shi)場(chang)前(qian)景(jing)是(shi)不(bu)可(ke)忽(hu)視(shi)的(de)，相(xiang)對(dui)於(yu)認(ren)為(wei)微(wei)型(xing)傳(chuan)聲(sheng)器(qi)已(yi)經(jing)沒(mei)有(you)什(shen)麼(me)發(fa)展(zhan)前(qian)景(jing)的(de)悲(bei)觀(guan)論(lun)點(dian)，筆(bi)者(zhe)卻(que)持(chi)有(you)樂(le)觀(guan)論(lun)點(dian)。隻(zhi)要(yao)人(ren)類(lei)需(xu)要(yao)歌(ge)唱(chang)
、對話與交流，隻要人類不斷創造夢想的激情不會消失，傳聲器將永遠是人類聲音的忠實代言者。