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  • 模拟和数字麦克风的差异在哪里?

        据IHS公司的MEMS专题报告,近年来,由于数字MEMS麦克风具有对电磁干扰的免疫力较高和设计阶段具有更大的灵活性等优点,越来越多地被运用,虽然模拟麦克风在价格上较便宜,但是数字麦克风在设计阶段体现出优势。如果采用模拟信号处理,则每次新的设计重复都要适应电阻、电容和喇叭。而对于数字麦克风,设计变化更容易实现,从而可以缩短产品上市时间。
        模拟和数字麦克风输出信号在设计中有不同的考虑因素,在结构上时也体现了差异性。那么模拟和数字MEMS麦克风有什么区别呢?
        模拟麦克风
        模拟MEMS麦克风的输出阻抗典型值为几百欧姆。这个阻抗要高于运放通常具有的低输出阻抗,麦克风后面的低阻抗电路会衰减信号电平。例如,一些编解码器在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麦克风后面跟一个输入阻抗为2kΩ的PGA将使信号电平衰减近10%。
        模拟MEMS麦克风的输出通常被偏置为地和电源电压之间的某个直流电压值。这个偏置电压的选择原则是最大幅度的输出信号峰值不会被电源电压或地电位限值所钳位。这个直流偏置电压的存在也意味着麦克风通常是通过交流耦合连接后面的放大器或转换器芯片。串联电容的选择原则是,与编解码器或放大器输入阻抗一起形成的高通滤波器电路不会使信号的低频部分滚降位于麦克风自然低频滚降之上。
        对于具有100Hz低频-3dB点的麦克风和具有10kΩ输入阻抗的编解码器或放大器来说(两个都是普通值),即使相对小的1.0?F电容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。
        数字麦克风
        数字麦克风将模数转换功能从编解码器转移进了麦克风,从而实现了从麦克风到处理器的全数字音频捕获通道。数字MEMS麦克风经常在模拟音频信号容易受到干扰的应用中使用。
        例如在平板电脑中,麦克风的位置也许不靠近ADC,这两点之间的信号可能会穿越或接近Wi-Fi、蓝牙或蜂窝天线。将这些连接数字化后,它们就不容易受到这些射频干扰而在音频信号中产生噪声或失真。这种拾取有害系统噪声的改进给设计中的麦克风布局提供了很大的灵活性。
        在只需要模拟音频接口来连接模拟麦克风的系统中数字麦克风也很有用。在只需要音频捕获但不需要回放的系统中,像监控摄像机中,使用数字输出麦克风后就不需要单独的编解码器或音频转换器了,麦克风可以直接连接数字处理器。
        当然,好的数字设计经验仍必须应用于数字麦克风的时钟和数字信号。20Ω至100Ω的小值源端接电阻很有用,它能确保至少数英寸长的走线上有良好的数字信号完整性(图7)。当使用更短的走线长度,或者以较低速率运行数字麦克风时钟时,麦克风引脚可以直接连接到编解码器或DSP,不需要任何无源元件。
        PDM是一种最常见的数字麦克风接口。这种接口允许两个麦克风共享一个公共的时钟与数据线。每个麦克风被配置为在时钟信号的不同沿产生各自的输出。这样两个麦克风的输出就能保持相互同步,设计师就能确保来自每个通道的数据被同时捕获到。
        在最坏情况下,从两个麦克风捕获到的数据可能在时间上隔半个时钟信号周期。这种时钟的频率典型值约为3MHz,因此通道内时间差仅为0.16us,远小于听者可以觉察到的阈值。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钟源,并且数据信号都在一起滤波和处理。在使用模拟麦克风的情况下,这种同步实现将上移到ADC。
        模拟和数字MEMS麦克风内部细节差别
        数字MEMS麦克风对于电磁干扰也较不敏感,而且电源抑制比(PSRR)提高,可以简化架构和改善音频质量。MEMS(微型机电系统)麦克风是基于MEMS技术制造的麦克风,简单的说就是一个电容器集成在微硅晶片上,可以采用表贴工艺进行制造,能够承受很高的回流焊温度,容易与CMOS工艺及其它音频电路相集成,并具有改进的噪声消除性能与良好的RF及EMI抑制能。
        MEMS麦克风输出并不是直接来自MEMS换能单元。换能器实质上是一个可变电容,并且具有特别高的兆欧级输出阻抗。
        在麦克风封装中,换能器信号先被送往前置放大器,而这个放大器的首要功能是阻抗变换,当麦克风接进音频信号链时将输出阻抗降低到更合适的值。麦克风的输出电路也是在这个前置放大电路中实现的。
        对于模拟MEMS麦克风,它的电路基本上是一个具有特殊输出阻抗的放大器。在数字MEMS麦克风中,这个放大器与模数转换器(ADC)集成在一起,以脉冲密度调制(PDM)或I2S格式提供数字输出。
        MEMS麦克风封装在半导体器件中比较独特,因为在封装中有一个洞,用于声学能量抵达换能单元。在这个封装内部,MEMS麦克风换能器和模拟或数字ASIC绑定在一起,并安装在一个公共的叠层上。然后在叠层上方又绑定一个盖子,用于封住换能器和ASIC。这种叠层通常是一小块PCB,用于将IC出来的信号连接到麦克风封装外部的引脚上。
        模拟和数字MEMS麦克风的换能器和ASIC(在环氧树脂底下)都安装在叠层上。数字麦克风有额外的绑定线将来自ASIC的电气信号连接到叠层。
        模拟和数字MEMS麦克风封装尺寸的差异
        一般来说,模拟MEMS麦克风的封装尺寸要比数字麦克风小。这是因为模拟麦克风封装需要的引脚较少(一般是3个,而数字麦克风需要5个甚至更多),模拟前置放大器的电路也比数字的少,因此采用相同制作工艺制造的模拟前放要比数字前放小。在大多数空间受约束的设计中,比如许多小型移动设备中,模拟麦克风因为尺寸小而更受欢迎。
        模拟麦克风的封装尺寸可以是2.5×3.35×0.88mm或更小,而PDM麦克风的封装尺寸通常是3×4×1mm,在封装体积上增加了62%。
        模拟和数字MEMS麦克风在不同的应用中都可以发挥自己的优势。选择时要综合系统体积和元器件的布局的限制、电气连接和潜在的噪声源及干扰等考虑因素。