模擬和數字麥克風(fēng)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(fēng)集成進(jìn)系統設計時(shí)的差別和需要考慮的因素。
MEMS麥克風(fēng)內部細節
MEMS麥克風(fēng)輸出并不是直接來(lái)自MEMS換能單元。換能器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)可變電容，并且具有特別高的兆歐級輸出阻抗。
在麥克風(fēng)封裝中，換能器信號先被送往前置放大器，而這個(gè)放大器的首要功能是阻抗變換，當麥克風(fēng)接進(jìn)音頻信號鏈時(shí)將輸出阻抗降低到更合適的值。麥克風(fēng)的輸出電路也是在這個(gè)前置放大電路中實(shí)現的。
對于模擬MEMS麥克風(fēng)來(lái)說(shuō)，圖1所示的這種電路基本上是一個(gè)具有特殊輸出阻抗的放大器。在數字MEMS麥克風(fēng)中，這個(gè)放大器與模數轉換器(ADC)集成在一起，以脈沖密度調制(PDM)或I2S格式提供數字輸出。
詳解模擬和數字MEMS麥克風(fēng)設計區別
圖1：典型的模擬MEMS麥克風(fēng)框圖。
圖2是PDM輸出MEMS麥克風(fēng)的功能框圖，圖3是典型的I2S輸出數字麥克風(fēng)。I2S麥克風(fēng)包含PDM麥克風(fēng)中的所有，還包含抽取濾波器和串口。
圖2：典型的PDMMEMS麥克風(fēng)框圖
圖3：典型的I2SMEMS麥克風(fēng)框圖
MEMS麥克風(fēng)封裝在半導體器件中比較獨特，因為在封裝中有一個(gè)洞，用于聲學(xué)能量抵達換能單元。在這個(gè)封裝內部，MEMS麥克風(fēng)換能器和模擬或數字ASIC綁定在一起，并安裝在一個(gè)公共的疊層上。然后在疊層上方又綁定一個(gè)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出來(lái)的信號連接到麥克風(fēng)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(fēng)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(huán)氧樹(shù)脂底下)，兩者都安裝在疊層上。數字麥克風(fēng)有額外的綁定線(xiàn)將來(lái)自ASIC的電氣信號連接到疊層。
圖4：模擬MEMS麥克風(fēng)中的換能器和ASIC
圖5：數字MEMS麥克風(fēng)中的換能器和ASIC
模擬麥克風(fēng)
模擬MEMS麥克風(fēng)的輸出阻抗典型值為幾百歐姆。這個(gè)阻抗要高于運放通常具有的低輸出阻抗，因此你需要了解緊隨麥克風(fēng)之后的信號鏈阻抗。
麥克風(fēng)后面的低阻抗電路會(huì )衰減信號電平。例如，一些編解碼器在A(yíng)DC之前有一個(gè)可編程的增益放大器(PGA)。在高增益設置時(shí)，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)后面跟一個(gè)輸入阻抗為2kΩ的PGA將使信號電平衰減近10%。
模擬MEMS麥克風(fēng)的輸出通常被偏置為地和電源電壓之間的某個(gè)直流電壓值。這個(gè)偏置電壓的選擇原則是幅度的輸出信號峰值不會(huì )被電源電壓或地電位限值所鉗位。這個(gè)直流偏置電壓的存在也意味著(zhù)麥克風(fēng)通常是通過(guò)交流耦合連接后面的放大器或轉換器芯片。串聯(lián)電容的選擇原則是，與編解碼器或放大器輸入阻抗一起形成的高通濾波器電路不會(huì )使信號的低頻部分滾降位于麥克風(fēng)自然低頻滾降之上。
對于具有100Hz低頻-3dB點(diǎn)的麥克風(fēng)和具有10kΩ輸入阻抗的編解碼器或放大器來(lái)說(shuō)(兩個(gè)都是普通值)，即使相對小的1.0F電容也會(huì )將高通濾波器的角頻率置為16Hz，這個(gè)值遠遠超出了能夠影響麥克風(fēng)響應的范圍。圖6顯示了這類(lèi)電路的一個(gè)例子，其中的模擬MEMS麥克風(fēng)連接到了一個(gè)同相配置的運放。
圖6：模擬麥克風(fēng)連接到同相運放電路
數字麥克風(fēng)
數字麥克風(fēng)將模數轉換功能從編解碼器轉移進(jìn)了麥克風(fēng)，從而實(shí)現了從麥克風(fēng)到處理器的全數字音頻捕獲通道。數字MEMS麥克風(fēng)經(jīng)常在模擬音頻信號容易受到干擾的應用中使用。
例如在平板電腦中，麥克風(fēng)的位置也許不靠近ADC，這兩點(diǎn)之間的信號可能會(huì )穿越或接近Wi-Fi、藍牙或蜂窩天線(xiàn)。將這些連接數字化后，它們就不容易受到這些射頻干擾而在音頻信號中產(chǎn)生噪聲或失真。這種拾取有害系統噪聲的改進(jìn)給設計中的麥克風(fēng)布局提供了很大的靈活性。
在只需要模擬音頻接口來(lái)連接模擬麥克風(fēng)的系統中數字麥克風(fēng)也很有用。在只需要音頻捕獲但不需要回放的系統中，像監控攝像機中，使用數字輸出麥克風(fēng)后就不需要單獨的編解碼器或音頻轉換器了，麥克風(fēng)可以直接連接數字處理器。
當然，好的數字設計經(jīng)驗仍必須應用于數字麥克風(fēng)的時(shí)鐘和數字信號。20Ω至100Ω的小值源端接電阻很有用，它能確保至少數英寸長(cháng)的走線(xiàn)上有良好的數字信號完整性(圖7)。當使用更短的走線(xiàn)長(cháng)度，或者以較低速率運行數字麥克風(fēng)時(shí)鐘時(shí)，麥克風(fēng)引腳可以直接連接到編解碼器或DSP，不需要任何無(wú)源元件。
圖7：PDM麥克風(fēng)以源端接方式連接到編解碼器
PDM是一種常見(jiàn)的數字麥克風(fēng)接口。這種接口允許兩個(gè)麥克風(fēng)共享一個(gè)公共的時(shí)鐘與數據線(xiàn)。每個(gè)麥克風(fēng)被配置為在時(shí)鐘信號的不同沿產(chǎn)生各自的輸出。這樣兩個(gè)麥克風(fēng)的輸出就能保持相互同步，設計師就能確保來(lái)自每個(gè)通道的數據被同時(shí)捕獲到。
在壞情況下，從兩個(gè)麥克風(fēng)捕獲到的數據可能在時(shí)間上隔半個(gè)時(shí)鐘信號周期。這種時(shí)鐘的頻率典型值約為3MHz，因此通道內時(shí)間差僅為0.16us，遠小于聽(tīng)者可以覺(jué)察到的閾值。這種相同的同步機制還可以擴展到具有兩個(gè)以上PDM麥克風(fēng)的系統中，只需確保所有麥克風(fēng)都連接到相同的時(shí)鐘源，并且數據信號都在一起濾波和處理。在使用模擬麥克風(fēng)的情況下，這種同步實(shí)現將上移到ADC。
I2S
多年來(lái)I2S一直是音頻轉換器和處理器的一種通用數字接口，只是近才被集成進(jìn)信號鏈邊緣的設備中，比如麥克風(fēng)。I2S麥克風(fēng)擁有與PDM麥克風(fēng)相同的系統設計優(yōu)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(guò)的基帶音頻采樣率。在PDM麥克風(fēng)方案中，這種抽取是在編解碼器或DSP中實(shí)現的，但在I2S麥克風(fēng)方案中，這個(gè)抽取過(guò)程直接在麥克風(fēng)中完成，因此在某些系統中可以完全取消ADC或編解碼器。
I2S麥克風(fēng)可以直接連接具有這種標準接口的DSP或(圖8)。與PDM麥克風(fēng)一樣，兩個(gè)I2S麥克風(fēng)可以連接到一條公共的數據線(xiàn)上，不過(guò)與PDM不同的是，I2S格式使用兩個(gè)時(shí)鐘信號——一個(gè)字時(shí)鐘和一個(gè)位時(shí)鐘。
圖8：連接DSP的立體聲I2S麥克風(fēng)
在尺寸很重要的情況下
一般來(lái)說(shuō)，模擬MEMS麥克風(fēng)的封裝尺寸要比數字麥克風(fēng)小。這是因為模擬麥克風(fēng)封裝需要的引腳較少(一般是3個(gè)，而數字麥克風(fēng)需要5個(gè)甚至更多)，模擬前置放大器的電路也比數字的少，因此采用相同制作工藝制造的模擬前放要比數字前放小。在大多數空間受約束的設計中，比如許多小型移動(dòng)設備中，模擬麥克風(fēng)因為尺寸小而更受歡迎。
模擬麥克風(fēng)的封裝尺寸可以是2.5×3.35×0.88mm或更小，而PDM麥克風(fēng)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(fēng)在不同的應用中都可以發(fā)揮自己的優(yōu)勢。綜合系統體積和元器件的布局的限制、電氣連接和潛在的噪聲源及干擾等考慮因素，我們就可以作出適合當前設計的麥克風(fēng)的決策。 |
