新型電聲產(chǎn)品接口技術(shù)

新型電聲產(chǎn)品是數(shù)碼產(chǎn)品配套新潮

　　當(dāng)今主要電聲產(chǎn)品有高性能麥克風(fēng)/話柄式麥克風(fēng)與平衡電樞式受話器及硅麥克風(fēng)/超聲聲波傳感器等。

　　麥克風(fēng)(又稱傳聲器或換能器)每年的銷(xiāo)售一半是非常廉價(jià)的低檔傳聲器，面向玩具市場(chǎng)以及對(duì)尺寸和性能參數(shù)要求不太嚴(yán)格的其它應(yīng)用。另一半是便攜式、高端應(yīng)用市場(chǎng)，例如移動(dòng)電話、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等。移動(dòng)電話被視為麥克風(fēng)市場(chǎng)中增速最快的部分。移動(dòng)電話的體積越來(lái)越小，而功能越來(lái)越多，因此對(duì)下一代麥克風(fēng)性能的要求不斷提高。

　　麥克風(fēng)產(chǎn)品應(yīng)具有以下特性：小尺寸使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更特別;防水，防潑濺產(chǎn)品專為戶外使用設(shè)計(jì)，適應(yīng)高濕度環(huán)境;寬頻響范圍產(chǎn)品(己包括超聲頻段)，可用于語(yǔ)音，音樂(lè)和檢測(cè)設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計(jì)中;超強(qiáng)的抗噪設(shè)計(jì)(包括防水)可用于高噪聲環(huán)境;低功耗產(chǎn)品解決耗電難題;平衡電樞式麥克風(fēng)(BJ系列)提供自身信號(hào)源;壓電陶麥克風(fēng)適應(yīng)不同惡劣環(huán)境，震動(dòng)靈敏度高。

　　可以概括地說(shuō)現(xiàn)代麥克風(fēng)產(chǎn)品最大特點(diǎn)是MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)的 貼片式(SMD)與數(shù)字化、小型化。

　　下面介紹駐極體電容式麥克風(fēng)、MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))SMD硅晶麥克風(fēng)、數(shù)字麥克風(fēng)及超聲波聲學(xué)貼片傳感器等新型電聲產(chǎn)品接口技術(shù)。

　　駐極體電容式麥克風(fēng)

　　駐極體電容式麥克風(fēng)(ECM)普遍用于電子與通信產(chǎn)品中。ECM在非嚴(yán)苛的環(huán)境條件下能提供良好的聲學(xué)性能與可靠性。其主要特征：高效能的電氣規(guī)格;工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸;有全指向、單指向及消噪型(雙指向);可整合電容作RF濾波;終端多樣-非焊接型，Pin型及焊盤(pán)型;用于廣泛多變的應(yīng)用，包括有線/無(wú)線耳機(jī)、有繩/無(wú)繩電話、PDAs、筆記本和移動(dòng)電話。

　　這種麥克風(fēng)由振膜、背板和駐極體層構(gòu)成?？梢苿?dòng)的振膜和固定的背板構(gòu)成了可變電容器的兩個(gè)極板。駐極體層存儲(chǔ)著相當(dāng)于大約100V電容器電壓的固定電荷。聲壓引起振膜振動(dòng)，從而改變傳聲器的電容。由于分布在電容器上的電荷數(shù)是恒定的，所以電容器兩端的電壓隨著電容的改變而變化，根據(jù)下面的電容器電荷公式：

　　其中Q是電荷，C是電容，V是電壓。隨著聲壓的變化，電容微量增加或減少(△C)，由此引起電壓成比例地減少或增加(△V)。

　　移動(dòng)應(yīng)用中的麥克風(fēng)體積非常小，通常直徑為3mm~4mm、厚度為lmm~1.5mm。因此它們的電容也相當(dāng)小，典型值為3pF~5pF，在某些情況下，甚至小到1pF。

　　Knowles Acoustics公司的MB3015是此級(jí)別中最小的ECM麥克風(fēng)。適用于追求超小型化的設(shè)計(jì)應(yīng)用。其內(nèi)部各結(jié)構(gòu)與外接示意圖，如圖1所示。

　　          圖1 駐極體電容式麥克風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外接示意圖

如果電容式麥克風(fēng)所產(chǎn)生的信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力不夠，那么在對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步處理之前需要一只緩沖器或放大器。按照傳統(tǒng)方法，一直使用一只簡(jiǎn)單的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)輸入放大器實(shí)現(xiàn)這種傳聲器的前置放大。隨著ECM微機(jī)械工藝的改進(jìn)，麥克風(fēng)體積越來(lái)越小，電容也不斷減小。由于標(biāo)準(zhǔn)的JFET放大器具有相當(dāng)大的輸入電容，對(duì)來(lái)自傳聲單元的信號(hào)造成顯著的衰耗，因此JFET放大器不再適合傳聲器的要求。

　　如今因CMOS制造工藝的改進(jìn)推動(dòng)了放大器電路的改進(jìn)。采用CMOS模擬和數(shù)字電路取代JFET放大器有很多好處。與傳統(tǒng)的JFET放大器相比，采用現(xiàn)代亞微米CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的前置放大器有多種優(yōu)點(diǎn)：降低諧波失真，更容易增益設(shè)置，多功能模式，包括低功耗休眠模式，模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，能使麥克風(fēng)直接輸出數(shù)字信號(hào)，極大地提高了聲音的質(zhì)量，

　　提高了抗干擾能力。

　　MEMS SMD-硅晶(SiSonic)貼片式麥克風(fēng)

　　SiSonic SMD硅晶貼片式麥克風(fēng)應(yīng)用了MEMS技術(shù)。一直以來(lái)，ECM的難題在于駐極體的能效在高溫中會(huì)降低，從而導(dǎo)致靈敏度的劣化。而硅晶麥克風(fēng)中內(nèi)置的CMOS電荷泵和MEMS則可完美的解決此難題，并使得產(chǎn)品能多次通過(guò)260℃無(wú)鉛自動(dòng)回焊爐。該種麥克風(fēng)，使用懸浮振膜構(gòu)造，即便焊接在基板上也能確保達(dá)到優(yōu)于ECM的耐振動(dòng)特性、12,000G跌落撞擊，甚至能通過(guò)相當(dāng)于半導(dǎo)體級(jí)別的信耐度測(cè)試。

　　全部硅晶麥克風(fēng)，高度為1.25mm，音孔位置在上面或是基板面(零高度)，還有強(qiáng)化對(duì)抗RF干擾的型號(hào)。這方面的新產(chǎn)品有，零高度Mini型及數(shù)字麥克風(fēng)。

　　標(biāo)準(zhǔn)SiSonic-SMD硅晶麥克風(fēng)(如樓氏公司產(chǎn)的SP0204、SPM0204型)原理示意圖示于圖2。

　　                           圖2 硅晶麥克風(fēng)原理示意圖

　　圖3為內(nèi)置放大器的SiSonic-SMD硅晶麥克風(fēng)

　　圖3 內(nèi)置放大器SiSonic-SMD硅晶麥克風(fēng)原理示意圖

　　數(shù)字麥克風(fēng)與數(shù)字輸出麥克風(fēng)的前置放大器

　　雖然簡(jiǎn)單的基于JFET放大器的功耗很低，但是其線性度差而且精度低。因此，改進(jìn)麥克風(fēng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)就是將前置放大器和數(shù)字技術(shù)結(jié)合起來(lái)，在保持極低功耗的同時(shí)，通過(guò)提高線性度和降低噪聲來(lái)增加動(dòng)態(tài)范圍。

　　數(shù)字麥克風(fēng)

　　移動(dòng)電話處于固有的噪聲環(huán)境。傳統(tǒng)的JFET放大器(以及任何純模擬)方案的問(wèn)題是，模擬麥克風(fēng)的輸出信號(hào)很容易受到潛伏在放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)之間的噪聲信號(hào)的干擾。因此，將ADC集成到麥克風(fēng)中，使麥克風(fēng)自身能夠提供數(shù)字輸出，以減小噪聲干擾。其基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4所示。

　　                        圖4 數(shù)字麥克風(fēng)基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖

圖4是數(shù)字麥克風(fēng) (SPM0205HD4型)原理示意圖。其中ADC為△∑型. 它是將以往的模擬麥克風(fēng)輸出送至∑△模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在外部時(shí)鐘控制下，以PDM方式進(jìn)行數(shù)字式輸出。數(shù)字式麥克風(fēng)的過(guò)采樣率可達(dá)3.25Mhz，經(jīng)過(guò)用戶接收方的線路進(jìn)行抽取處理并過(guò)濾全部數(shù)據(jù)。尤其是低功耗∑△ADC不受?chē)?yán)格的設(shè)計(jì)限制能達(dá)到高分辨率。而低功耗休眠模式，當(dāng)不需要麥克風(fēng)時(shí)進(jìn)入節(jié)電模式，可以延長(zhǎng)電池工作壽命。

　　這種麥克風(fēng)的特點(diǎn)是不受EMI的影響，直接把音頻信號(hào)傳入處理芯片;以∑△型A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行PDM輸出，相當(dāng)于14bit的分辨能力;回路設(shè)計(jì)容易，能自由設(shè)置選擇麥克風(fēng)的位置;全數(shù)字化的回路設(shè)計(jì)，減少元件數(shù)量;立體聲麥克風(fēng)信號(hào)只需1根數(shù)據(jù)線來(lái)傳送;有睡眠模式。

　　可在便攜電話、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝錄機(jī)、需要避免電磁干擾影響的麥克風(fēng)上應(yīng)用。

　　圖5為數(shù)字麥克風(fēng)連接及其應(yīng)用示意圖。數(shù)字麥克風(fēng)的輸出與數(shù)據(jù)(data)及時(shí)鐘(clack)信號(hào)將被送至芯片PCM數(shù)據(jù)流處理. 即經(jīng)過(guò)用戶接收方的線路進(jìn)行抽取處理并過(guò)濾全部數(shù)據(jù)。

　                               圖5 數(shù)字麥克風(fēng)連接及其應(yīng)用示意圖

　　數(shù)字輸出麥克風(fēng)的前置放大器

　　集成的數(shù)字輸出前置放大器及其接口的框圖如圖6所示。

　　   圖6 集成的數(shù)字輸出前置放大器及其接口的框圖

　　傳聲單元的信號(hào)首先經(jīng)放大器放大，然后經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。內(nèi)部穩(wěn)壓電源向放大器和ADC供電，既確保了良好的電源電壓抑制能力，又為模擬部分提供了獨(dú)立的電源。

　　按照儀表放大器結(jié)構(gòu)中利用匹配電容器設(shè)置增益的方法，使用兩只運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTA)這種帶有MOS輸入晶體管的結(jié)構(gòu)，對(duì)于容性信號(hào)源具有接近零輸入導(dǎo)納的非常理想特性。由于使用電容進(jìn)行增益設(shè)置，所以確保了高增益精度(只受光刻工藝限制)和多層—多層電容器固有的高線性度。通過(guò)金屬掩模編程很容易設(shè)置該放大器的增益，其增益可達(dá)到20dB。

　　該ADC是一個(gè)四階、單回路、單bit∑△調(diào)制器，其數(shù)字輸出是單bit過(guò)采樣信號(hào)。使用△∑調(diào)制器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：噪聲整形將量化噪聲的頻譜移到高頻段，移到有用頻帶之外很遠(yuǎn)之處。因此，該電路系統(tǒng)無(wú)需嚴(yán)格的匹配要求就能達(dá)到高精度;ADC采用單bit t∑△調(diào)制器，因此使其具備固有高線性度;在單bit、單回路調(diào)制器中，只有一個(gè)積分器有要求嚴(yán)格的設(shè)計(jì)限制。內(nèi)回路積分器的輸出都經(jīng)過(guò)噪聲整形處理，因此放寬對(duì)它們的設(shè)計(jì)要求。

　　超聲波聲學(xué)貼片傳感器

　　用于探測(cè)/接收空氣中超聲波的組件-超聲波聲學(xué)傳感器(UAS) 近期己聞世。該新型貼片傳感器，采用成熟的MEMS技術(shù)，傳感器頻率探測(cè)范圍大,頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的超聲波傳感器?？蛇m應(yīng)多種環(huán)境要求，是一種高性能機(jī)械聲學(xué)傳感器。它適用于超聲波技術(shù)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域：超聲波探距、狀態(tài)監(jiān)控、故障探測(cè)、液位感測(cè)和位置感測(cè)等。這種傳感器可用于監(jiān)控和探測(cè)10-65kHz的頻率范圍，在整個(gè)頻段內(nèi)的衰減值最少。

　　新型超聲波傳感器可以在單一感測(cè)組件中探測(cè)出多個(gè)頻率，因此，它最終可以減少或避免憑主觀臆測(cè)去選擇產(chǎn)品的行為，從而可以為顧客選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鱽?lái)對(duì)頻率進(jìn)行探測(cè)或監(jiān)控。

　　這種傳感器的小型化表面貼裝封裝設(shè)計(jì)不僅適用于工業(yè)品，而且也適用于大多數(shù)的制成品。尤其是MEMS貼片式麥克風(fēng)、超微型駐集體麥克風(fēng)、均衡電樞揚(yáng)聲器和語(yǔ)音加強(qiáng)軟件等。例如樓氏公司的SPM0204UD5就是典型一例。圖7示出其應(yīng)用示意圖。

　　          圖7 超聲波聲學(xué)貼片傳感器引腳與應(yīng)用圖