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類比和數位MEMS麥克風設計考量

上網時間: 2014年04月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:麥克風  降頻濾波器  運算放大器  MEMS  PDM 

作者:Jerad Lewis,ADI公司MEMS麥克風應用工程師

麥克風是一種將聲壓波轉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技術則使得麥克風越來越小,而且還能提供類比或數位輸出。

類比和數位麥克風輸出訊號在設計中顯然有不同的考慮因素。本文討論在將類比和數位MEMS麥克風整合於系統設計時的差別和必須考慮的因素。

MEMS麥克風內部細節

MEMS麥克風的輸出並非直接來自於MEMS換能器。換能器本質上是一種具有極高輸出阻抗達吉歐姆(GΩ)範圍的可變電容器。

在麥克風封裝中,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。麥克風的輸出電路也是在這個前置放大電路中實現的。

對於類比MEMS麥克風來說,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。在數位MEMS麥克風中,這個放大器與類比數位轉換器(ADC)整合在一起,以脈衝密度調變(PDM)或I2S格式提供數位輸出。

圖1:典型的類比MEMS麥克風方塊圖。
圖1:典型的類比MEMS麥克風方塊圖。

圖2是PDM輸出MEMS麥克風的功能方塊圖,圖3則顯示典型的I2S輸出數位麥克風。I2S麥克風包含PDM麥克風中的所有數位電路,以及降頻濾波器和序列埠。

圖2:典型的PDM MEMS麥克風方塊圖。
圖2:典型的PDM MEMS麥克風方塊圖。

圖3:典型的I<sup>2</sup>S MEMS麥克風方塊圖。
圖3:典型的I2S MEMS麥克風方塊圖。

MEMS麥克風封裝在半導體元件中比較獨特,因為在其封裝中有一個洞,可用於使聲學能量抵達換能元件。在這個封裝內部,MEMS麥克風換能器和類比或數位ASIC鍵合在一起,並安裝在一個共同的疊層上。疊層上方再鍵合一個蓋子,用於封住換能器和ASIC。這種疊層通常是一小塊PCB,用於將IC訊號連接到麥克風封裝外部的接腳上。

圖4和圖5分別顯示類比與數位MEMS麥克風的內部細節。在這些圖片中,你可以看到左邊的換能器和右邊的ASIC(在環氧樹脂底下),二者都安裝在疊層上。數位麥克風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麥克風中的換能器和ASIC。
圖4:類比MEMS麥克風中的換能器和ASIC。

圖5:數位MEMS麥克風中的換能器和ASIC。
圖5:數位MEMS麥克風中的換能器和ASIC。

類比麥克風

類比MEMS麥克風的輸出阻抗典型值有幾百歐姆(Ω)。這個阻抗要高於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之後的訊號鏈阻抗階段。

在麥克風之後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麥克風後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於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通常會透過交流(AC)耦合連接其後的放大器或轉換器晶片。必須選擇使用串聯電容器,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於使訊號的低頻部份衰減至麥克風自然低頻訊號衰減之上。

對於具有100Hz低頻-3dB的麥克風以及具有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,這個值遠遠超出了能夠影響麥克風響應的範圍。圖6顯示這類電路的例子,其中的類比MEMS麥克風連接至一個同相配置的運算放大器。

圖6:類比麥克風連接至同相運算放大器電路。
圖6:類比麥克風連接至同相運算放大器電路。

數位麥克風

數位麥克風將類比數位轉換功能從編解碼器移至麥克風,從而實現了從麥克風到處理器的全數位音訊擷取通道。數位MEMS麥克風經常在類比音訊訊號容易受到干擾的應用中使用。

例如在平板電腦中,麥克風的位置也許並未靠近ADC,因此這兩點之間的訊號可能穿越或接近Wi-Fi、藍牙或蜂巢式天線。在使這些連接數位化後,他們就不至於受到射頻干擾而在音訊訊號中產生雜訊或失真。這種提取有害系統雜訊的改善為設計中的麥克風佈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的系統中,數位麥克風也很有用。在只需要音訊擷取但不需要播放的系統中,如監控相機,使用數位輸出麥克風後就不需要單獨的編解碼器或音訊轉換器了,麥克風可以直接連接數位處理器。

當然,好的數位設計經驗仍必須應用於數位麥克風的時脈和數位訊號。20Ω至100Ω的較小數值來源終端電十分適用於確保至少數英吋長的走線上有良好的數位訊號完整性(圖7)。當使用較短的走線長度或以較低速率執行數位麥克風時脈時,麥克風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麥克風以來源端接方式連接到編解碼器。
圖7:PDM麥克風以來源端接方式連接到編解碼器。

PDM是一種最常見的數位麥克風介面。這種介面允許兩個麥克風共享一個共通的時脈與數據線路。每個麥克風被配置為在時脈訊號的不同沿產生各自的輸出,使兩個麥克風的輸出得以保持相互同步,設計人員就能確保來自每個通道的數據可同時加以擷取。

而在最壞情況下,從兩個麥克風擷取到的數據可能在時間上隔半個時脈訊號週期。這種時脈的頻率典型值約為3MHz,因此通道內時間差僅為0.16us,遠低於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麥克風的系統中,只需確保所有麥克風都連接到相同的時脈源,以及數據訊號都在一起進行濾波和處理。在使用類比麥克風的情況下,這種同步建置將上移到ADC。

I2S介面

多年來I2S一直是音訊轉換器和處理器的一種通用數位介面,直到最近才被整合進訊號鏈邊緣的設備中,如麥克風。I2S麥克風擁有與PDM麥克風相同的系統設計優勢,但它並不輸出高取樣速率的PDM訊號,它所輸出的數位數據採用降頻過的基頻音訊採樣率。在PDM麥克風方案中,這種降頻是在編解碼器或DSP中實現的,但在I2S麥克風方案中,這個降頻過程直接在麥克風中完成,因此在某些系統中可以完全取消ADC或編解碼器。

I2S麥克風可以直接連接具有這種標準介面的DSP或微控制器(圖8)。與PDM麥克風一樣,兩個I2S麥克風可以連接到一條通用的數據線上,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I<sup>2</sup>S麥克風。
圖8:連接DSP的立體聲I2S麥克風。

當尺寸至關重要…

一般來說,類比MEMS麥克風的封裝尺寸要比數位麥克風小。這是因為類比麥克風封裝需要的接腳較少(一般是3個,而數位麥克風需要5個甚至更多),類比前置放大器的電路也比數位的少,因此採用相同晶圓廠製程中所製造的類比前放要比數位前放小。在大多數空間受限制的設計中,例如許多小型行動設備,類比麥克風因為尺寸小而更受歡迎。

類比麥克風的封裝尺寸可以是2.5×3.35×0.88 mm或更小,而PDM麥克風的封裝尺寸通常是3×4×1 mm,在封裝體積上增加了62%。

圖9:麥克風的封裝尺寸比較。
圖9:麥克風的封裝尺寸比較。

類比和數位MEMS麥克風在不同的應用中都各具優勢。完整考慮系統的尺寸與零組件的佈局限制、電氣連接以及潛在的雜訊來源與干擾等各種因素,就可以為目前的設計選擇最適合的麥克風。

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





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