全面解析數(shù)字麥克風技術及發(fā)展現(xiàn)狀

近年來隨著麥克風技術及小信號模數(shù)轉換技術的發(fā)展，使駐極體電容式麥克風(ECM)可以增加數(shù)字音頻輸出，從而為麥克風這種電子產(chǎn)品的應用開創(chuàng)了一個新的局面。一直以來，ECM麥克風廠商都在致力于提高產(chǎn)品的敏感度，信噪比和回流焊接等性能，麥克風模數(shù)轉換芯片，尤其是應用于微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風的轉換芯片的推出正在極大整體提高上述麥克風性能。

隨著飛兆半導體等一大批知名半導體公司的加入及推出ECM和MEMS麥克風模數(shù)轉換芯片，令過去數(shù)十年來普遍采用的結型場效應晶體管(JFET)逐漸被淘汰，也令這個市場出現(xiàn)結構上的轉變，為麥克風添加數(shù)字輸出功能將會是放大器技術的目前的重要發(fā)展，這種新技術適用于移動電話、筆記型電腦以及其他便攜式麥克風應用設備。

MEMS麥克風是通過微機電技術在半導體上蝕刻壓力感測膜片而制成的微型麥克風，隨著MEMS產(chǎn)品愈來愈便宜，且數(shù)量不斷增加，以及硅晶麥克風在外形尺寸、可擴展性和聲音品質(zhì)等方面也大大超過傳統(tǒng)麥克風。與此同時，在噪音消除、波束成形等應用方面，MEMS也具有可簡化設計的特性，預計全球MEMS麥克風將保持平均25%以上的年成長率，到2013年可達11億支的年出貨規(guī)模。這也意味著數(shù)字麥克風轉換芯片市場將有年超過一億美金的規(guī)模。

基于此，飛兆半導體作為模擬技術行業(yè)領導者正在推出高性能的ECM麥克風數(shù)字轉換芯片及正在戰(zhàn)略進入完整MEMS數(shù)字麥克風方案及噪音消除系統(tǒng)領域。

正因為這個行業(yè)如此重要及充滿希望，為了幫助讀者加深技術認識、提高產(chǎn)品應用能力及加強對飛兆半導體產(chǎn)品的印象，作者基于我們麥克風產(chǎn)品參數(shù)對大家做個基本介紹。

數(shù)字麥克風的基本架構是以駐極體隔膜或MEMS基礎來構成聲壓到電壓的轉換部分，然后內(nèi)部集成極低噪聲的電壓信號運算放大器，高性能Σ·Δ模擬到數(shù)字的轉換器以及基于脈沖密度調(diào)制輸出的數(shù)字接口，并支持立體聲或者時分復用。

當然，更重要的是數(shù)字麥克風產(chǎn)品需要滿足苛刻的性能指標，飛兆半導體以向產(chǎn)業(yè)界提供高性能模擬產(chǎn)品為己任，并正在提供如下優(yōu)異的產(chǎn)品指標：

輸入聲壓級94dBSPL即–26dBFS時，信噪比(SNR)為60-62dBc(A)。

PGA+ADC綜合底噪為6.3μVRMS，單純PGA底噪為3.2μVRMS.

輸入聲壓級94dBSPL即–26dBFS時，總諧波失真(THD)《0.04%.

在不影響總諧波失真(THD)的情況下，設計最大輸入信號為：710mVP-P.

針對聲電轉換敏感度-42到-38dBV/Pa的麥克風增益12，14，16dB可選。

芯片工作電流≤450μA.

下面作者就麥克風產(chǎn)品中上述部分參數(shù)進行闡述，在聲學設備應用中，我們引入了聲壓級(SPL:soundpressurelevel)這個氣壓相對參數(shù)來表征聲音的大小，聲壓Lp是以20微帕斯卡(μPascal)為基準來表征聲音壓強大小的對數(shù)結果。

因此，1帕斯卡大小有效聲壓對應的聲壓級就是大約94dBSPL.

即Lp(1Pascal)=20log10(1Pa/20μPa)=93.97dB(SPL)≈94dB(SPL)。

然后，我們知道典型的ECM麥克風的靈敏度是-42到-38dBV/Pa，也就是說通常麥克風拾音前端接收到1帕斯卡的音壓會產(chǎn)生-42到-38dBV的平均電壓波動輸出到放大前端，dBV為即以1Vrms(有效電壓或說電壓均方根值)做為基準來表征麥克風轉化得到的電壓輸入大小。所以，-42dBV=7.9mVRMS=22.4mVP-P，由此，120dBSPL

聲壓被麥克風前端吸收將會產(chǎn)生120dBSPL–94dBPa/SPL–42dBV/Pa=-16dBV電壓或者說158.5mVRMS，同時，我們在麥克風指標中也提到了dBFS，所謂dBFS就是ADC輸入電壓相對ADC參考電壓的對數(shù)表示即：20×log10(VIN×AV/VREF)=dBFS，我們稱之為分數(shù)全刻度(FractionalFullScale)，通常我們把麥克風前端聲壓輸入為120dBSPL時對應設置Av(放大器增益)和VREF來使VIN×AV/VREF=1，當然這些Av和VREF一般來說已經(jīng)在芯片內(nèi)部配置完成，所以，對于此給定設置的芯片，0dBFS對應120dBSPL，-26dBFS也就對應94dBSPL了。最后，我們來談談信噪比和噪聲的計算，信噪比通常用dBc或者dB來表示，c代表載波(carrier)，所以一般表征以噪聲為基準的信號對數(shù)強度時候我們可用dBc，上文提及產(chǎn)品輸入聲壓級94dBSPL即–26dBFS時，信噪比為62dBc(A)，也就是說120dBSPL即0dBFS時，信噪比為88dBc(A)，32dBSPL即–88dBFS時，信噪比(SNR)為0dBc即有效信號與噪聲強度完全相等，所以產(chǎn)品系統(tǒng)底噪(NoiseFloor)=32dB(SPL)，對應噪聲電壓=32dBSPL–94dBPA/SPL–42dBV/Pa=-104dBV=6.3μVRMS。同時也可知本數(shù)字麥克風芯片的輸入動態(tài)范圍為32-120dB(SPL)。

總的來說，通過對本文的理解，讀者可以了解到，為滿足用戶對在移動設備上獲得更好的聽覺體驗的廣泛需求，新的高性能數(shù)字麥克風正在有助于目標應用大幅提升音質(zhì)，甚至提供噪聲確定和過濾等更多功能，譬如整合多個數(shù)字麥克風來實現(xiàn)噪聲抑制和方向性拾聲。隨著便攜式設備在大噪聲的環(huán)境中的使用率不斷提高以及提升手機通話以及多方通話的音質(zhì)的迫切需求，數(shù)字麥克風必將全面盛行。