中南覆鸥人力资源有限公司

你的位置:首頁(yè) > 電路保護(hù) > 正文

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)布時(shí)間:2022-10-19 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】模擬和數(shù)字麥克風(fēng)輸出信號(hào)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。


模擬和數(shù)字麥克風(fēng)輸出信號(hào)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(jí)輸出阻抗。


在麥克風(fēng)封裝中,換能器信號(hào)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(hào)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(duì)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


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

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。


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

圖2:典型的PDMMEMS麥克風(fēng)框圖


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

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(hào)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(hào)連接到疊層。


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

圖4:模擬MEMS麥克風(fēng)中的換能器和ASIC


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

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(hào)鏈阻抗。


麥克風(fēng)后面的低阻抗電路會(huì)衰減信號(hào)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(hào)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(hào)峰值不會(huì)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(huì)使信號(hào)的低頻部分滾降位于麥克風(fēng)自然低頻滾降之上。


對(duì)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(duì)小的1.0F電容也會(huì)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。


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

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(hào)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(hào)可能會(huì)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(hào)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(hào)。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(zhǎng)的走線上有良好的數(shù)字信號(hào)完整性(圖7)。當(dāng)使用更短的走線長(zhǎng)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。


  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

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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(shì),但不再輸出高采樣速率的PDM信號(hào),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(hào)——一個(gè)字時(shí)鐘和一個(gè)位時(shí)鐘。


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

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(dòng)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(shì)。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。

(來源:中電網(wǎng))



免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。



推薦閱讀:

SiC MOSFET AC BTI 可靠性研究

芯科技賦能中國(guó)新基建之談?wù)剝?chǔ)能背后的黑科技

運(yùn)算放大器:模擬電路的“基礎(chǔ)積木”

小粒子也能做大事,一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置讓微粒產(chǎn)生振蕩電流

貿(mào)澤電子提供豐富資源幫助工程師打造未來自主移動(dòng)機(jī)器人






特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉

德昌县| 绍兴市| 五家渠市| 益阳市| 自贡市| 林州市| 报价| 东乌| 卫辉市| 巴彦县| 尼玛县| 龙川县| 阿克苏市| 博白县| 苏尼特左旗| 土默特右旗| 吴堡县| 永宁县| 保德县| 武义县| 新巴尔虎右旗| 平塘县| 广东省| 皮山县| 金塔县| 柞水县| 梁平县| 米易县| 长寿区| 静宁县| 宁远县| 郎溪县| 长子县| 鄯善县| 嘉善县| 潼南县| 天津市| 手机| 大邑县| 台北市| 会昌县|