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数字麦克风与模拟麦克风的区别
模拟和数字麦克风输出信号在设计中显然有不同的考虑因素。本文要讨论将模拟和数字MEMS麦克风集成进系统设计时的差别和需要考虑的因素。
MEMS麦克风内部细节
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麦克风来说,图1所示的这种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。
图1:典型的模拟MEMS麦克风框图。
图2是PDM输出MEMS麦克风的功能框图,图3是典型的I2S输出数字麦克风。I2S麦克风包含PDM麦克风中的所有数字电路,还包含抽取滤波器和串口。
图2:典型的PDMMEMS麦克风框图
图3:典型的I2SMEMS麦克风框图
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。
图4:模拟MEMS麦克风中的换能器和ASIC
图5:数字MEMS麦克风中的换能器和ASIC
图4和图5分别显示了模拟和数字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),两者都安装在叠层上。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,
因此你需要了解紧随麦克风之后的信
号链阻抗。
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),?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。图6显示了这类电路的一个例子,其中的模拟MEMS麦克风连接到了一个同相配置的运放。
图6:模拟麦克风连接到同相运放电路
数字麦克风
数字麦克风将模数转换功能从编解码器