模拟和数位MEMS麦克风设计考量

作者：Jerad Lewis，ADI公司MEMS麦克风应用工程师
麦克风是一种将声压波转换为电讯号的换能器。在音讯讯号链中有越来越多的感测器与其它元件整合在一起，而MEMS技术则使得麦克风越来越小，而且还能提供类比或数位输出。

类比和数位麦克风输出讯号在设计中显然有不同的考虑因素。本文讨论在将类比和数位MEMS麦克风整合于系统设计时的差别和必须考虑的因素。

MEMS麦克风内部细节

MEMS麦克风的输出并非直接来自于MEMS换能器。换能器本质上是一种具有极高输出阻抗达吉欧姆(GΩ)范围的可变电容器。

在麦克风封装中，换能器讯号先被传送至前置放大器，该前置放大器的首要功能是阻抗变换，以便在麦克风连接至音讯讯号链时将输出阻抗降低至更合适的值。麦克风的输出电路也是在这个前置放大电路中实现的。

对于类比MEMS麦克风来说，图1所示的电路基本上是一个具有特殊输出阻抗的放大器。在数位MEMS麦克风中，这个放大器与类比数位转换器(ADC)整合在一起，以脉冲密度调变(PDM)或I2S格式提供数位输出。


图1：典型的类比MEMS麦克风方块图。

图2是PDM输出MEMS麦克风的功能方块图，图3则显示典型的I2S输出数位麦克风。I2S麦克风包含PDM麦克风中的所有数位电路，以及降频滤波器和序列埠。


图2：典型的PDM MEMS麦克风方块图。


图3：典型的I2S MEMS麦克风方块图。

MEMS麦克风封装在半导体元件中比较独特，因为在其封装中有一个洞，可用于使声学能量抵达换能元件。在这个封装内部，MEMS麦克风换能器和类比或数位ASIC键合在一起，并安装在一个共同的叠层上。叠层上方再键合一个盖子，用于封住换能器和ASIC。这种叠层通常是一小块PCB，用于将IC讯号连接到麦克风封装外部的接脚上。

图4和图5分别显示类比与数位MEMS麦克风的内部细节。在这些图片中，你可以看到左边的换能器和右边的ASIC(在环氧树脂底下)，二者都安装在叠层上。数位麦克风有额外的键合打线将来自ASIC的电气讯号连接到叠层。


图4：类比MEMS麦克风中的换能器和ASIC。


图5：数位MEMS麦克风中的换能器和ASIC。

类比麦克风

类比MEMS麦克风的输出阻抗典型值有几百欧姆(Ω)。这个阻抗要高于运算放大器通常具有的低输出阻抗，因此必须注意紧随麦克风之后的讯号链阻抗阶段。

在麦克风之后的低阻抗电路会衰减讯号电平。例如，有些编解码器在ADC之前有一个可编程的增益放大器(PGA)。在高增益设置时，PGA的输入阻抗可能只有几千欧姆。输出阻抗为200Ω的MEMS麦克风后紧随一个输入阻抗为2kΩ的PGA将使讯号电平衰减近10%。

类比MEMS麦克风的输出通常被偏置为接地和电源电压之间的某个直流(DC)电压值。该偏置电压的选择原则是最大振幅的输出讯号峰值不至于被电源电压或接地电压限值所箝位。而DC偏置电压的存在也意味着麦克风通常会透过交流(AC)耦合连接其后的放大器或转换器晶片。必须选择使用串联电容器，以便使与编解码器或放大器输入阻抗共同形成的高通滤波器电路不至于使讯号的低频部份衰减至麦克风自然低频讯号衰减之上。

对于具有100Hz低频-3dB的麦克风以及具有10kΩ输入阻抗的编解码器或放大器来说(两个都是普通值)，即使相对较小的1.0uF电容器也会将高通滤波器的角频率置为16Hz，这个值远远超出了能够影响麦克风响应的范围。图6显示这类电路的例子，其中的类比MEMS麦克风连接至一个同相配置的运算放大器。


图6：类比麦克风连接至同相运算放大器电路。

数位麦克风

数位麦克风将类比数位转换功能从编解码器移至麦克风，从而实现了从麦克风到处理器的全数位音讯撷取通道。数位MEMS麦克风经常在类比音讯讯号容易受到干扰的应用中使用。

例如在平板电脑中，麦克风的位置也许并未靠近ADC，因此这两点之间的讯号可能穿越或接近Wi-Fi、蓝牙或蜂巢式天线。在使这些连接数位化后，他们就不至于受到射频干扰而在音讯讯号中产生杂讯或失真。这种提取有害系统杂讯的改善为设计中的麦克风布局赋予了很大的灵活性。

在只需要类比音讯介面来连接类比麦克风的系统中，数位麦克风也很有用。在只需要音讯撷取但不需要播放的系统中，如监控相机，使用数位输出麦克风后就不需要单独的编解码器或音讯转换器了，麦克风可以直接连接数位处理器。

当然，好的数位设计经验仍必须应用于数位麦克风的时脉和数位讯号。20Ω至100Ω的较小数值来源终端电十分适用于确保至少数英寸长的走线上有良好的数位讯号完整性(图7)。当使用较短的走线长度或以较低速率执行数位麦克风时脉时，麦克风的接脚可以直接连接到编解码器或DSP，而不需要任何被动元件。


图7：PDM麦克风以来源端接方式连接到编解码器。

PDM是一种最常见的数位麦克风介面。这种介面允许两个麦克风共享一个共通的时脉与数据线路。每个麦克风被配置为在时脉讯号的不同沿产生各自的输出，使两个麦克风的输出得以保持相互同步，设计人员就能确保来自每个通道的数据可同时加以撷取。

而在最坏情况下，从两个麦克风撷取到的数据可能在时间上隔半个时脉讯号周期。这种时脉的频率典型值约为3MHz，因此通道内时间差仅为0.16us，远低于听者可觉察到的阈值。这种相同的同步机制还可以扩展到具有两个以上PDM麦克风的系统中，只需确保所有麦克风都连接到相同的时脉源，以及数据讯号都在一起进行滤波和处理。在使用类比麦克风的情况下，这种同步建置将上移到ADC。

I2S介面

多年来I2S一直是音讯转换器和处理器的一种通用数位介面，直到最近才被整合进讯号链边缘的设备中，如麦克风。I2S麦克风拥有与PDM麦克风相同的系统设计优势，但它并不输出高取样速率的PDM讯号，它所输出的数位数据采用降频过的基频音讯采样率。在PDM麦克风方案中，这种降频是在编解码器或DSP中实现的，但在I2S麦克风方案中，这个降频过程直接在麦克风中完成，因此在某些系统中可以完全取消ADC或编解码器。[!--empirenews.page--]

I2S麦克风可以直接连接具有这种标准介面的DSP或微控制器(图8)。与PDM麦克风一样，两个I2S麦克风可以连接到一条通用的数据线上，不过与PDM不同的是，I2S格式使用两个时脉讯号──一个字元时脉和一个位元时脉。


图8：连接DSP的立体声I2S麦克风。

当尺寸至关重要…

一般来说，类比MEMS麦克风的封装尺寸要比数位麦克风小。这是因为类比麦克风封装需要的接脚较少(一般是3个，而数位麦克风需要5个甚至更多)，类比前置放大器的电路也比数位的少，因此采用相同晶圆厂制程中所制造的类比前放要比数位前放小。在大多数空间受限制的设计中，例如许多小型行动设备，类比麦克风因为尺寸小而更受欢迎。

类比麦克风的封装尺寸可以是2.5×3.35×0.88 mm或更小，而PDM麦克风的封装尺寸通常是3×4×1 mm，在封装体积上增加了62%。


图9：麦克风的封装尺寸比较。

类比和数位MEMS麦克风在不同的应用中都各具优势。完整考虑系统的尺寸与零组件的布局限制、电气连接以及潜在的杂讯来源与干扰等各种因素，就可以为目前的设计选择最适合的麦克风。

(参考原文：Analog and digital MEMS microphone design considerations ，by Jerad Lewis)