MEMS麥克風(fēng)的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（一）

在之前的文章中，已經(jīng)簡(jiǎn)單介紹了如聲學(xué)過載點(diǎn)(AOP)、信噪比(SNR)、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度和帶寬等概念，接下來，本篇文章將更詳細(xì)解讀，關(guān)于模擬和數(shù)字麥克風(fēng)電子接口和信號(hào)要求的信息。

電氣實(shí)現(xiàn)是一個(gè)關(guān)鍵的麥克風(fēng)成功因素，同樣聲學(xué)和機(jī)械實(shí)現(xiàn)。麥克風(fēng)需要一個(gè)高性能的輸出信號(hào)路徑和工作環(huán)境，使獲得最好的信號(hào)質(zhì)量的系統(tǒng)。優(yōu)化信號(hào)質(zhì)量包括:

• 高性能信號(hào)通路，能夠攜帶麥克風(fēng)輸出信號(hào)而不退化

噪聲等級(jí)、頻率響應(yīng)、相位特性、動(dòng)態(tài)范圍或其他關(guān)鍵參數(shù)

• 清潔穩(wěn)定的電源
• 干凈、穩(wěn)定、低阻抗的接地
• 保護(hù)良好，信號(hào)線路干凈

防止外界干擾，例如傳導(dǎo)和輻射的射頻信號(hào)

與其他數(shù)據(jù)跟蹤分離，以避免串?dāng)_

• 與設(shè)備中其他有噪聲的電子系統(tǒng)隔離
• 合理的電磁輻射環(huán)境
• 高質(zhì)量的時(shí)鐘信號(hào)(用于數(shù)字麥克風(fēng))

在接下來的文章中，我們將介紹MEMS麥克風(fēng)在智能手機(jī)、智能揚(yáng)聲器、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和筆記本電腦等系統(tǒng)中的電子實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)。有些信息根據(jù)麥克風(fēng)的輸出格式分為兩部分，模擬的或數(shù)字的。模擬信號(hào)比數(shù)字信號(hào)更容易受到干擾。因此，在設(shè)備中實(shí)現(xiàn)模擬麥克風(fēng)和數(shù)字麥克風(fēng)的任務(wù)有很大的不同。一般來說，使用模擬麥克風(fēng)比使用數(shù)字麥克風(fēng)需要更多的時(shí)間和精力來達(dá)到更高的性能水平。電路的設(shè)計(jì)、電路板的布局和布線在模擬領(lǐng)域比在數(shù)字領(lǐng)域要重要得多。使用模擬麥克風(fēng)獲得滿意的結(jié)果需要經(jīng)驗(yàn)、精心的設(shè)計(jì)工作、原型設(shè)計(jì)和多次設(shè)計(jì)迭代。有了數(shù)字麥克風(fēng)，規(guī)則就簡(jiǎn)單多了。由于更容易實(shí)現(xiàn)，數(shù)字接口麥克風(fēng)的普及已經(jīng)上升，特別是在更大的設(shè)備和設(shè)備的電磁環(huán)境特別惡劣。例如，筆記本電腦麥克風(fēng)的數(shù)據(jù)跟蹤往往很長(zhǎng)，它們運(yùn)行在干擾源旁邊，所以數(shù)字麥克風(fēng)幾乎只用于該產(chǎn)品類別。

模擬麥克風(fēng)接口

模擬MEMS麥克風(fēng)有兩種常用接口:單端和差分接口。直到最近幾年，單端芯片一直主導(dǎo)著市場(chǎng)，但由于性能要求的提高(例如，動(dòng)態(tài)范圍)和對(duì)更好的抗干擾信號(hào)魯棒性的需求，差分芯片最近越來越受歡迎。

單端接口是一種簡(jiǎn)單、低成本的解決方案。麥克風(fēng)只需要三個(gè)引腳:VDD，信號(hào)和接地。單端接口不能有效地防止干擾，例如射頻干擾、來自其他信號(hào)線的串?dāng)_、發(fā)送端和接收端之間的接地電壓差異。差分接口將麥克風(fēng)的輸出信號(hào)傳輸到兩個(gè)極性相反的互補(bǔ)信號(hào)線中。接收端有效信號(hào)Vout為兩個(gè)信號(hào)之差。因此，差動(dòng)接口提供了比單端高6dB的動(dòng)態(tài)范圍(假設(shè)兩個(gè)MEMS傳感器具有相同的接口鋼軌電壓和相同的靈敏度)。換句話說，差分接口使接口的動(dòng)態(tài)范圍加倍。兩個(gè)互補(bǔ)信號(hào)線的干擾(理想情況下)是相同的，當(dāng)用差分放大器接收信號(hào)時(shí)，干擾可以從信號(hào)中消除。

理想差動(dòng)線周圍的電磁場(chǎng)為零，因此精心設(shè)計(jì)的差動(dòng)界面也減少了麥克風(fēng)輸出信號(hào)對(duì)其他線路的干擾。良好的干擾抑制性能要求兩個(gè)信號(hào)道具有良好的匹配(均衡阻抗、匹配線路布局)。

單端輸入麥克風(fēng)與差分輸入麥克風(fēng)

圖3顯示了模擬麥克風(fēng)接口的兩個(gè)示例。左邊的單端接口是音頻編解碼器的接口。差分接口是一個(gè)帶有差動(dòng)放大器的接口。兩個(gè)電路包括一個(gè)0.1μf電容(可以使用更高的電容,達(dá)10μf)從電源電壓行過濾干擾。電源線上可能需要額外的小值電容(50 - 100pF)來濾除RF干擾。一般情況下，電源濾波電容的物理位置應(yīng)盡可能靠近麥克風(fēng)，最小值最靠近麥克風(fēng)。也有系列電容(> 1μf)在輸出線濾波器可能的直流分量的信號(hào)。

圖3單端(左)和差分(右)模擬麥克風(fēng)接口示例

設(shè)備麥克風(fēng)信號(hào)路徑要求-動(dòng)態(tài)范圍

之前的文章有多次提到，在高性能模擬麥克風(fēng)接口中，一個(gè)關(guān)鍵的成功因素是確保信號(hào)路徑的動(dòng)態(tài)范圍不限制麥克風(fēng)的性能。模擬麥克風(fēng)輸出的最大信號(hào)擺幅可以通過使用麥克風(fēng)的靈敏度(輸出電壓與94dBSPL (1Pa) rms聲學(xué)參考信號(hào)輸入)和聲學(xué)過載點(diǎn)(AOP)來計(jì)算。麥克風(fēng)的AOP既可以指定為峰值，也可以指定為rms值。對(duì)于輸出電壓，在計(jì)算最大信號(hào)電平時(shí)，我們主要關(guān)注峰值或峰峰值。

模擬麥克風(fēng)的rms靈敏度可由下式計(jì)算，其中靈敏度mv /Pa(rms)是當(dāng)麥克風(fēng)參考輸入值為94dBSPLrms時(shí)的輸出電壓：

94dBSPLrms聲音輸入測(cè)得的rms輸出電壓由上式可得:

如果將麥克風(fēng)的AOP聲壓級(jí)指定為一個(gè)峰值(AOPpeak)，則可以通過計(jì)算AOPdBSPL(peak)與94dBSPLrms之間的差異(分貝)，并將其加到Voutput(rms)@94dBSPL(rms)，得到麥克風(fēng)在AOP時(shí)的輸出電壓峰值。

如果AOPSPL被給定為一個(gè)rms值(AOPrms)，則可以通過在Voutput(peak)@AOP(peak)中添加+3dB來計(jì)算AOP輸出電壓的峰值(見圖4)。

圖4 AOP(peak)和AOP(rms)在麥克風(fēng)靈敏度上的區(qū)別

峰間信號(hào)電壓擺幅可通過峰值加倍計(jì)算。例如，對(duì)于靈敏度為-38dBV和AOPpeak 130dBSPL的麥克風(fēng)，其最大峰峰輸出電壓為:

這種峰間電壓擺動(dòng)可能很難與具有1.8V軌電壓和最大信號(hào)擺動(dòng)約1.6V(從0.1V到1.7V;實(shí)際的最大和最小信號(hào)值通常約為理論軌電壓的100mV)。但是，如果麥克風(fēng)的靈敏度容差為±1dB，則離群麥克風(fēng)的靈敏度可能為-37dBV。由此產(chǎn)生的Voutput(p-p)@AOP(peak)為1.8V，接口超出了動(dòng)態(tài)范圍。

如果將AOPdBSPL指定為一個(gè)rms值，則AOP信號(hào)峰值級(jí)別要高3dB。例如，如果rms AOP是130dBSPL，那么AOP的峰值就是133dBSPL。如上圖所示，麥克風(fēng)靈敏度為-38dBV時(shí)，最大峰間電壓幅值從1.6V增加到2.2V以上。這不再與1.8V單端接口兼容。

在下面的例子(1)(參見圖5)中，進(jìn)入麥克風(fēng)的聲壓對(duì)于麥克風(fēng)和/或麥克風(fēng)信號(hào)鏈來說太高了，因此信號(hào)被扭曲、剪切。這個(gè)問題可以通過以下方法來緩解:

(a)降低麥克風(fēng)靈敏度

(b)增加信號(hào)通路鋼軌電壓或

(c)從單端切換到差分接口

需要注意的是，降低麥克風(fēng)的靈敏度可能會(huì)影響重要的參數(shù)，如信噪比和麥克風(fēng)系統(tǒng)捕捉低電平/遠(yuǎn)距離聲音的能力。

圖5 高聲壓級(jí)輸入對(duì)麥克風(fēng)輸出的影響

整個(gè)麥克風(fēng)信號(hào)鏈的噪聲層必須足夠低，以支持麥克風(fēng)的噪聲性能。在某些情況下，麥克風(fēng)信號(hào)路徑的某些部分，例如編解碼器的輸入，可能不支持非常低的信號(hào)電平。信號(hào)電平可能很低，因?yàn)辂溈孙L(fēng)的靈敏度低，傳入的聲壓電平低(例如，如果聲源相對(duì)安靜和/或很遠(yuǎn))。結(jié)果可能是麥克風(fēng)信號(hào)被埋在信號(hào)路徑的噪聲層中。

在下面的例子(2)(參見圖6)中，傳入的聲音非常安靜(大致相當(dāng)于一個(gè)人在8米外說話)，由于信號(hào)路徑的噪聲，麥克風(fēng)系統(tǒng)輸出的信噪比非常低。這個(gè)問題可以通過以下方法來緩解:

(a)選擇靈敏度較高的麥克風(fēng)(最好是相同的噪聲地板)

(b)將麥克風(fēng)輸出信號(hào)放大到信號(hào)鏈或有噪聲部分之前

(c)選擇低噪音的元件，并確保干擾不污染線路，以減低信號(hào)鏈的噪音水平

圖6 低聲壓級(jí)輸入對(duì)麥克風(fēng)輸出的影響

本次文章將會(huì)分開，本次主要介紹公式和集中狀況產(chǎn)生的原因，后續(xù)將進(jìn)一步介紹電路設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)。