模擬和數(shù)字MEMS麥克風(fēng)集成進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的差別
發(fā)布日期:2022-10-27
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模擬和數(shù)字麥克風(fēng)輸出信號在設(shè)計(jì)中顯然有不同的考慮因素。本文要討論將模擬和數(shù)字MEMS麥克風(fēng)集成進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的差別和需要考慮的因素。
MEMS麥克風(fēng)內(nèi)部細(xì)節(jié)
MEMS麥克風(fēng)輸出并不是直接來自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(dāng)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(xiàn)的。
對于模擬MEMS麥克風(fēng)來說，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(shù)字MEMS麥克風(fēng)中，這個(gè)放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)集成在一起，以脈沖密度調(diào)制(PDM)或I2S格式提供數(shù)字輸出。
詳解模擬和數(shù)字MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)區(qū)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(shù)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。
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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(dǎo)體器件中比較獨(dú)特，因?yàn)樵诜庋b中有一個(gè)洞，用于聲學(xué)能量抵達(dá)換能單元。在這個(gè)封裝內(nèi)部，MEMS麥克風(fēng)換能器和模擬或數(shù)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(shù)字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)，兩者都安裝在疊層上。數(shù)字麥克風(fēng)有額外的綁定線將來自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(shù)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(yùn)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衰減信號電平。例如，一些編解碼器在ADC之前有一個(gè)可編程的增益放大器(PGA)。在高增益設(shè)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麥克風(fēng)通常是通過交流耦合連接后面的放大器或轉(zhuǎn)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說(兩個(gè)都是普通值)，即使相對小的1.0F電容也會將高通濾波器的角頻率置為16Hz，這個(gè)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了能夠影響麥克風(fēng)響應(yīng)的范圍。圖6顯示了這類電路的一個(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(yùn)放。
圖6：模擬麥克風(fēng)連接到同相運(yùn)放電路
數(shù)字麥克風(fēng)
數(shù)字麥克風(fēng)將模數(shù)轉(zhuǎn)換功能從編解碼器轉(zhuǎn)移進(jìn)了麥克風(fēng)，從而實(shí)現(xiàn)了從麥克風(fēng)到處理器的全數(shù)字音頻捕獲通道。數(shù)字MEMS麥克風(fēng)經(jīng)常在模擬音頻信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)的位置也許不靠近ADC，這兩點(diǎn)之間的信號可能會穿越或接近Wi-Fi、藍(lán)牙或蜂窩天線。將這些連接數(shù)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(tǒng)噪聲的改進(jìn)給設(shè)計(jì)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連接模擬麥克風(fēng)的系統(tǒng)中數(shù)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(tǒng)中，像監(jiān)控?cái)z像機(jī)中，使用數(shù)字輸出麥克風(fēng)后就不需要單獨(dú)的編解碼器或音頻轉(zhuǎn)換器了，麥克風(fēng)可以直接連接數(shù)字處理器。
當(dāng)然，好的數(shù)字設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)仍必須應(yīng)用于數(shù)字麥克風(fēng)的時(shí)鐘和數(shù)字信號。20Ω至100Ω的小值源端接電阻很有用，它能確保至少數(shù)英寸長的走線上有良好的數(shù)字信號完整性(圖7)。當(dāng)使用更短的走線長度，或者以較低速率運(yùn)行數(shù)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是一種常見的數(shù)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(shù)據(jù)線。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(shè)計(jì)師就能確保來自每個(gè)通道的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(nèi)時(shí)間差僅為0.16us，遠(yuǎn)小于聽者可以覺察到的閾值。這種相同的同步機(jī)制還可以擴(kuò)展到具有兩個(gè)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(shí)鐘源，并且數(shù)據(jù)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(xiàn)將上移到ADC。
I2S
多年來I2S一直是音頻轉(zhuǎn)換器和處理器的一種通用數(shù)字接口，只是近才被集成進(jìn)信號鏈邊緣的設(shè)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(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)勢，但不再輸出高采樣速率的PDM信號，它輸出的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采用抽取過的基帶音頻采樣率。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(xiàn)的，但在I2S麥克風(fēng)方案中，這個(gè)抽取過程直接在麥克風(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。
I2S麥克風(fēng)可以直接連接具有這種標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)線上，不過與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
一般來說，模擬MEMS麥克風(fēng)的封裝尺寸要比數(shù)字麥克風(fēng)小。這是因?yàn)槟M麥克風(fēng)封裝需要的引腳較少(一般是3個(gè)，而數(shù)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(shù)字的少，因此采用相同制作工藝制造的模擬前放要比數(shù)字前放小。在大多數(shù)空間受約束的設(shè)計(jì)中，比如許多小型移動設(shè)備中，模擬麥克風(fēng)因?yàn)槌叽缧《軞g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(shù)字MEMS麥克風(fēng)在不同的應(yīng)用中都可以發(fā)揮自己的優(yōu)勢。綜合系統(tǒng)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(dāng)前設(shè)計(jì)的麥克風(fēng)的決策。
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