模擬和數(shù)位MEMS麥克風(fēng)設(shè)計考量
[導(dǎo)讀]作者：Jerad Lewis，ADI公司MEMS麥克風(fēng)應(yīng)用工程師
麥克風(fēng)是一種將聲壓波轉(zhuǎn)換為電訊號的換能器。在音訊訊號鏈中有越來越多的感測器與其它元件整合在一起，而MEMS技術(shù)則使得麥克風(fēng)越來越小，而且還能提供類比或數(shù)位輸
作者：Jerad Lewis，ADI公司MEMS麥克風(fēng)應(yīng)用工程師
麥克風(fēng)是一種將聲壓波轉(zhuǎn)換為電訊號的換能器。在音訊訊號鏈中有越來越多的感測器與其它元件整合在一起，而MEMS技術(shù)則使得麥克風(fēng)越來越小，而且還能提供類比或數(shù)位輸出。
類比和數(shù)位麥克風(fēng)輸出訊號在設(shè)計中顯然有不同的考慮因素。本文討論在將類比和數(shù)位MEMS麥克風(fēng)整合于系統(tǒng)設(shè)計時的差別和必須考慮的因素。
MEMS麥克風(fēng)內(nèi)部細(xì)節(jié)
MEMS麥克風(fēng)的輸出并非直接來自于MEMS換能器。換能器本質(zhì)上是一種具有極高輸出阻抗達(dá)吉歐姆(GΩ)范圍的可變電容器。
在麥克風(fēng)封裝中，換能器訊號先被傳送至前置放大器，該前置放大器的首要功能是阻抗變換，以便在麥克風(fēng)連接至音訊訊號鏈時將輸出阻抗降低至更合適的值。麥克風(fēng)的輸出電路也是在這個前置放大電路中實現(xiàn)的。
對于類比MEMS麥克風(fēng)來說，圖1所示的電路基本上是一個具有特殊輸出阻抗的放大器。在數(shù)位MEMS麥克風(fēng)中，這個放大器與類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)整合在一起，以脈沖密度調(diào)變(PDM)或I2S格式提供數(shù)位輸出。
圖1：典型的類比MEMS麥克風(fēng)方塊圖。
圖2是PDM輸出MEMS麥克風(fēng)的功能方塊圖，圖3則顯示典型的I2S輸出數(shù)位麥克風(fēng)。I2S麥克風(fēng)包含PDM麥克風(fēng)中的所有數(shù)位電路，以及降頻濾波器和序列埠。
圖2：典型的PDM MEMS麥克風(fēng)方塊圖。
圖3：典型的I2S MEMS麥克風(fēng)方塊圖。
MEMS麥克風(fēng)封裝在半導(dǎo)體元件中比較獨特，因為在其封裝中有一個洞，可用于使聲學(xué)能量抵達(dá)換能元件。在這個封裝內(nèi)部，MEMS麥克風(fēng)換能器和類比或數(shù)位ASIC鍵合在一起，并安裝在一個共同的疊層上。疊層上方再鍵合一個蓋子，用于封住換能器和ASIC。這種疊層通常是一小塊PCB，用于將IC訊號連接到麥克風(fēng)封裝外部的接腳上。
圖4和圖5分別顯示類比與數(shù)位MEMS麥克風(fēng)的內(nèi)部細(xì)節(jié)。在這些圖片中，你可以看到左邊的換能器和右邊的ASIC(在環(huán)氧樹脂底下)，二者都安裝在疊層上。數(shù)位麥克風(fēng)有額外的鍵合打線將來自ASIC的電氣訊號連接到疊層。
圖4：類比MEMS麥克風(fēng)中的換能器和ASIC。
圖5：數(shù)位MEMS麥克風(fēng)中的換能器和ASIC。
類比麥克風(fēng)
類比MEMS麥克風(fēng)的輸出阻抗典型值有幾百歐姆(Ω)。這個阻抗要高于運算放大器通常具有的低輸出阻抗，因此必須注意緊隨麥克風(fēng)之后的訊號鏈阻抗階段。
在麥克風(fēng)之后的低阻抗電路會衰減訊號電平。例如，有些編解碼器在ADC之前有一個可編程的增益放大器(PGA)。在高增益設(shè)置時，PGA的輸入阻抗可能只有幾千歐姆。輸出阻抗為200Ω的MEMS麥克風(fēng)后緊隨一個輸入阻抗為2kΩ的PGA將使訊號電平衰減近10%。
類比MEMS麥克風(fēng)的輸出通常被偏置為接地和電源電壓之間的某個直流(DC)電壓值。該偏置電壓的選擇原則是最大振幅的輸出訊號峰值不至于被電源電壓或接地電壓限值所箝位。而DC偏置電壓的存在也意味著麥克風(fēng)通常會透過交流(AC)耦合連接其后的放大器或轉(zhuǎn)換器晶片。必須選擇使用串聯(lián)電容器，以便使與編解碼器或放大器輸入阻抗共同形成的高通濾波器電路不至于使訊號的低頻部份衰減至麥克風(fēng)自然低頻訊號衰減之上。
對于具有100Hz低頻-3dB的麥克風(fēng)以及具有10kΩ輸入阻抗的編解碼器或放大器來說(兩個都是普通值)，即使相對較小的1.0uF電容器也會將高通濾波器的角頻率置為16Hz，這個值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了能夠影響麥克風(fēng)響應(yīng)的范圍。圖6顯示這類電路的例子，其中的類比MEMS麥克風(fēng)連接至一個同相配置的運算放大器。
圖6：類比麥克風(fēng)連接至同相運算放大器電路。
數(shù)位麥克風(fēng)
數(shù)位麥克風(fēng)將類比數(shù)位轉(zhuǎn)換功能從編解碼器移至麥克風(fēng)，從而實現(xiàn)了從麥克風(fēng)到處理器的全數(shù)位音訊擷取通道。數(shù)位MEMS麥克風(fēng)經(jīng)常在類比音訊訊號容易受到干擾的應(yīng)用中使用。
例如在平板電腦中，麥克風(fēng)的位置也許并未靠近ADC，因此這兩點之間的訊號可能穿越或接近Wi-Fi、藍(lán)牙或蜂巢式天線。在使這些連接數(shù)位化后，他們就不至于受到射頻干擾而在音訊訊號中產(chǎn)生雜訊或失真。這種提取有害系統(tǒng)雜訊的改善為設(shè)計中的麥克風(fēng)布局賦予了很大的靈活性。
在只需要類比音訊介面來連接類比麥克風(fēng)的系統(tǒng)中，數(shù)位麥克風(fēng)也很有用。在只需要音訊擷取但不需要播放的系統(tǒng)中，如監(jiān)控相機，使用數(shù)位輸出麥克風(fēng)后就不需要單獨的編解碼器或音訊轉(zhuǎn)換器了，麥克風(fēng)可以直接連接數(shù)位處理器。
當(dāng)然，好的數(shù)位設(shè)計經(jīng)驗仍必須應(yīng)用于數(shù)位麥克風(fēng)的時脈和數(shù)位訊號。20Ω至100Ω的較小數(shù)值來源終端電十分適用于確保至少數(shù)英寸長的走線上有良好的數(shù)位訊號完整性(圖7)。當(dāng)使用較短的走線長度或以較低速率執(zhí)行數(shù)位麥克風(fēng)時脈時，麥克風(fēng)的接腳可以直接連接到編解碼器或DSP，而不需要任何被動元件。
圖7：PDM麥克風(fēng)以來源端接方式連接到編解碼器。
PDM是一種最常見的數(shù)位麥克風(fēng)介面。這種介面允許兩個麥克風(fēng)共享一個共通的時脈與數(shù)據(jù)線路。每個麥克風(fēng)被配置為在時脈訊號的不同沿產(chǎn)生各自的輸出，使兩個麥克風(fēng)的輸出得以保持相互同步，設(shè)計人員就能確保來自每個通道的數(shù)據(jù)可同時加以擷取。
而在最壞情況下，從兩個麥克風(fēng)擷取到的數(shù)據(jù)可能在時間上隔半個時脈訊號周期。這種時脈的頻率典型值約為3MHz，因此通道內(nèi)時間差僅為0.16us，遠(yuǎn)低于聽者可覺察到的閾值。這種相同的同步機制還可以擴展到具有兩個以上PDM麥克風(fēng)的系統(tǒng)中，只需確保所有麥克風(fēng)都連接到相同的時脈源，以及數(shù)據(jù)訊號都在一起進行濾波和處理。在使用類比麥克風(fēng)的情況下，這種同步建置將上移到ADC。
I2S介面
多年來I2S一直是音訊轉(zhuǎn)換器和處理器的一種通用數(shù)位介面，直到最近才被整合進訊號鏈邊緣的設(shè)備中，如麥克風(fēng)。I2S麥克風(fēng)擁有與PDM麥克風(fēng)相同的系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)勢，但它并不輸出高取樣速率的PDM訊號，它所輸出的數(shù)位數(shù)據(jù)采用降頻過的基頻音訊采樣率。在PDM麥克風(fēng)方案中，這種降頻是在編解碼器或DSP中實現(xiàn)的，但在I2S麥克風(fēng)方案中，這個降頻過程直接在麥克風(fēng)中完成，因此在某些系統(tǒng)中可以完全取消ADC或編解碼器。[!--empirenews.page--]
I2S麥克風(fēng)可以直接連接具有這種標(biāo)準(zhǔn)介面的DSP或微控制器(圖8)。與PDM麥克風(fēng)一樣，兩個I2S麥克風(fēng)可以連接到一條通用的數(shù)據(jù)線上，不過與PDM不同的是，I2S格式使用兩個時脈訊號──一個字元時脈和一個位元時脈。
圖8：連接DSP的立體聲I2S麥克風(fēng)。
當(dāng)尺寸至關(guān)重要…
一般來說，類比MEMS麥克風(fēng)的封裝尺寸要比數(shù)位麥克風(fēng)小。這是因為類比麥克風(fēng)封裝需要的接腳較少(一般是3個，而數(shù)位麥克風(fēng)需要5個甚至更多)，類比前置放大器的電路也比數(shù)位的少，因此采用相同晶圓廠制程中所制造的類比前放要比數(shù)位前放小。在大多數(shù)空間受限制的設(shè)計中，例如許多小型行動設(shè)備，類比麥克風(fēng)因為尺寸小而更受歡迎。
類比麥克風(fēng)的封裝尺寸可以是2.5×3.35×0.88 mm或更小，而PDM麥克風(fēng)的封裝尺寸通常是3×4×1 mm，在封裝體積上增加了62%。
圖9：麥克風(fēng)的封裝尺寸比較。
類比和數(shù)位MEMS麥克風(fēng)在不同的應(yīng)用中都各具優(yōu)勢。完整考慮系統(tǒng)的尺寸與零組件的布局限制、電氣連接以及潛在的雜訊來源與干擾等各種因素，就可以為目前的設(shè)計選擇最適合的麥克風(fēng)。
(參考原文：Analog and digital MEMS microphone design considerations ，by Jerad Lewis)
麥克風(fēng)是一種將聲壓波轉(zhuǎn)換為電訊號的換能器。在音訊訊號鏈中有越來越多的感測器與其它元件整合在一起，而MEMS技術(shù)則使得麥克風(fēng)越來越小，而且還能提供類比或數(shù)位輸出。
類比和數(shù)位麥克風(fēng)輸出訊號在設(shè)計中顯然有不同的考慮因素。本文討論在將類比和數(shù)位MEMS麥克風(fēng)整合于系統(tǒng)設(shè)計時的差別和必須考慮的因素。
MEMS麥克風(fēng)內(nèi)部細(xì)節(jié)
MEMS麥克風(fēng)的輸出并非直接來自于MEMS換能器。換能器本質(zhì)上是一種具有極高輸出阻抗達(dá)吉歐姆(GΩ)范圍的可變電容器。
在麥克風(fēng)封裝中，換能器訊號先被傳送至前置放大器，該前置放大器的首要功能是阻抗變換，以便在麥克風(fēng)連接至音訊訊號鏈時將輸出阻抗降低至更合適的值。麥克風(fēng)的輸出電路也是在這個前置放大電路中實現(xiàn)的。
對于類比MEMS麥克風(fēng)來說，圖1所示的電路基本上是一個具有特殊輸出阻抗的放大器。在數(shù)位MEMS麥克風(fēng)中，這個放大器與類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)整合在一起，以脈沖密度調(diào)變(PDM)或I2S格式提供數(shù)位輸出。
圖1：典型的類比MEMS麥克風(fēng)方塊圖。
圖2是PDM輸出MEMS麥克風(fēng)的功能方塊圖，圖3則顯示典型的I2S輸出數(shù)位麥克風(fēng)。I2S麥克風(fēng)包含PDM麥克風(fēng)中的所有數(shù)位電路，以及降頻濾波器和序列埠。
圖2：典型的PDM MEMS麥克風(fēng)方塊圖。
圖3：典型的I2S MEMS麥克風(fēng)方塊圖。
MEMS麥克風(fēng)封裝在半導(dǎo)體元件中比較獨特，因為在其封裝中有一個洞，可用于使聲學(xué)能量抵達(dá)換能元件。在這個封裝內(nèi)部，MEMS麥克風(fēng)換能器和類比或數(shù)位ASIC鍵合在一起，并安裝在一個共同的疊層上。疊層上方再鍵合一個蓋子，用于封住換能器和ASIC。這種疊層通常是一小塊PCB，用于將IC訊號連接到麥克風(fēng)封裝外部的接腳上。
圖4和圖5分別顯示類比與數(shù)位MEMS麥克風(fēng)的內(nèi)部細(xì)節(jié)。在這些圖片中，你可以看到左邊的換能器和右邊的ASIC(在環(huán)氧樹脂底下)，二者都安裝在疊層上。數(shù)位麥克風(fēng)有額外的鍵合打線將來自ASIC的電氣訊號連接到疊層。
圖4：類比MEMS麥克風(fēng)中的換能器和ASIC。
圖5：數(shù)位MEMS麥克風(fēng)中的換能器和ASIC。
類比麥克風(fēng)
類比MEMS麥克風(fēng)的輸出阻抗典型值有幾百歐姆(Ω)。這個阻抗要高于運算放大器通常具有的低輸出阻抗，因此必須注意緊隨麥克風(fēng)之后的訊號鏈阻抗階段。
在麥克風(fēng)之后的低阻抗電路會衰減訊號電平。例如，有些編解碼器在ADC之前有一個可編程的增益放大器(PGA)。在高增益設(shè)置時，PGA的輸入阻抗可能只有幾千歐姆。輸出阻抗為200Ω的MEMS麥克風(fēng)后緊隨一個輸入阻抗為2kΩ的PGA將使訊號電平衰減近10%。
類比MEMS麥克風(fēng)的輸出通常被偏置為接地和電源電壓之間的某個直流(DC)電壓值。該偏置電壓的選擇原則是最大振幅的輸出訊號峰值不至于被電源電壓或接地電壓限值所箝位。而DC偏置電壓的存在也意味著麥克風(fēng)通常會透過交流(AC)耦合連接其后的放大器或轉(zhuǎn)換器晶片。必須選擇使用串聯(lián)電容器，以便使與編解碼器或放大器輸入阻抗共同形成的高通濾波器電路不至于使訊號的低頻部份衰減至麥克風(fēng)自然低頻訊號衰減之上。
對于具有100Hz低頻-3dB的麥克風(fēng)以及具有10kΩ輸入阻抗的編解碼器或放大器來說(兩個都是普通值)，即使相對較小的1.0uF電容器也會將高通濾波器的角頻率置為16Hz，這個值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了能夠影響麥克風(fēng)響應(yīng)的范圍。圖6顯示這類電路的例子，其中的類比MEMS麥克風(fēng)連接至一個同相配置的運算放大器。
圖6：類比麥克風(fēng)連接至同相運算放大器電路。
數(shù)位麥克風(fēng)
數(shù)位麥克風(fēng)將類比數(shù)位轉(zhuǎn)換功能從編解碼器移至麥克風(fēng)，從而實現(xiàn)了從麥克風(fēng)到處理器的全數(shù)位音訊擷取通道。數(shù)位MEMS麥克風(fēng)經(jīng)常在類比音訊訊號容易受到干擾的應(yīng)用中使用。
例如在平板電腦中，麥克風(fēng)的位置也許并未靠近ADC，因此這兩點之間的訊號可能穿越或接近Wi-Fi、藍(lán)牙或蜂巢式天線。在使這些連接數(shù)位化后，他們就不至于受到射頻干擾而在音訊訊號中產(chǎn)生雜訊或失真。這種提取有害系統(tǒng)雜訊的改善為設(shè)計中的麥克風(fēng)布局賦予了很大的靈活性。
在只需要類比音訊介面來連接類比麥克風(fēng)的系統(tǒng)中，數(shù)位麥克風(fēng)也很有用。在只需要音訊擷取但不需要播放的系統(tǒng)中，如監(jiān)控相機，使用數(shù)位輸出麥克風(fēng)后就不需要單獨的編解碼器或音訊轉(zhuǎn)換器了，麥克風(fēng)可以直接連接數(shù)位處理器。
當(dāng)然，好的數(shù)位設(shè)計經(jīng)驗仍必須應(yīng)用于數(shù)位麥克風(fēng)的時脈和數(shù)位訊號。20Ω至100Ω的較小數(shù)值來源終端電十分適用于確保至少數(shù)英寸長的走線上有良好的數(shù)位訊號完整性(圖7)。當(dāng)使用較短的走線長度或以較低速率執(zhí)行數(shù)位麥克風(fēng)時脈時，麥克風(fēng)的接腳可以直接連接到編解碼器或DSP，而不需要任何被動元件。
圖7：PDM麥克風(fēng)以來源端接方式連接到編解碼器。
PDM是一種最常見的數(shù)位麥克風(fēng)介面。這種介面允許兩個麥克風(fēng)共享一個共通的時脈與數(shù)據(jù)線路。每個麥克風(fēng)被配置為在時脈訊號的不同沿產(chǎn)生各自的輸出，使兩個麥克風(fēng)的輸出得以保持相互同步，設(shè)計人員就能確保來自每個通道的數(shù)據(jù)可同時加以擷取。
而在最壞情況下，從兩個麥克風(fēng)擷取到的數(shù)據(jù)可能在時間上隔半個時脈訊號周期。這種時脈的頻率典型值約為3MHz，因此通道內(nèi)時間差僅為0.16us，遠(yuǎn)低于聽者可覺察到的閾值。這種相同的同步機制還可以擴展到具有兩個以上PDM麥克風(fēng)的系統(tǒng)中，只需確保所有麥克風(fēng)都連接到相同的時脈源，以及數(shù)據(jù)訊號都在一起進行濾波和處理。在使用類比麥克風(fēng)的情況下，這種同步建置將上移到ADC。
I2S介面
多年來I2S一直是音訊轉(zhuǎn)換器和處理器的一種通用數(shù)位介面，直到最近才被整合進訊號鏈邊緣的設(shè)備中，如麥克風(fēng)。I2S麥克風(fēng)擁有與PDM麥克風(fēng)相同的系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)勢，但它并不輸出高取樣速率的PDM訊號，它所輸出的數(shù)位數(shù)據(jù)采用降頻過的基頻音訊采樣率。在PDM麥克風(fēng)方案中，這種降頻是在編解碼器或DSP中實現(xiàn)的，但在I2S麥克風(fēng)方案中，這個降頻過程直接在麥克風(fēng)中完成，因此在某些系統(tǒng)中可以完全取消ADC或編解碼器。[!--empirenews.page--]
I2S麥克風(fēng)可以直接連接具有這種標(biāo)準(zhǔn)介面的DSP或微控制器(圖8)。與PDM麥克風(fēng)一樣，兩個I2S麥克風(fēng)可以連接到一條通用的數(shù)據(jù)線上，不過與PDM不同的是，I2S格式使用兩個時脈訊號──一個字元時脈和一個位元時脈。
圖8：連接DSP的立體聲I2S麥克風(fēng)。
當(dāng)尺寸至關(guān)重要…
一般來說，類比MEMS麥克風(fēng)的封裝尺寸要比數(shù)位麥克風(fēng)小。這是因為類比麥克風(fēng)封裝需要的接腳較少(一般是3個，而數(shù)位麥克風(fēng)需要5個甚至更多)，類比前置放大器的電路也比數(shù)位的少，因此采用相同晶圓廠制程中所制造的類比前放要比數(shù)位前放小。在大多數(shù)空間受限制的設(shè)計中，例如許多小型行動設(shè)備，類比麥克風(fēng)因為尺寸小而更受歡迎。
類比麥克風(fēng)的封裝尺寸可以是2.5×3.35×0.88 mm或更小，而PDM麥克風(fēng)的封裝尺寸通常是3×4×1 mm，在封裝體積上增加了62%。
圖9：麥克風(fēng)的封裝尺寸比較。
類比和數(shù)位MEMS麥克風(fēng)在不同的應(yīng)用中都各具優(yōu)勢。完整考慮系統(tǒng)的尺寸與零組件的布局限制、電氣連接以及潛在的雜訊來源與干擾等各種因素，就可以為目前的設(shè)計選擇最適合的麥克風(fēng)。
(參考原文：Analog and digital MEMS microphone design considerations ，by Jerad Lewis)
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