MEMS 麦克风技术简介——模拟与数字麦克风

出处:维库电子市场网 发布于:2023-04-06 15:04:01

微机电系统或 MEMS是使用初为集成电路 (IC) 开发的技术在硅上蚀刻和制造的。微机械喷墨喷嘴可能是个,但是,自 1990 年代以来,MEMS 技术创造了各种传感器和其他机电设备,包括麦克风。

MEMS 麦克风体积小、价格适中且随时可用。麦克风元件本身不到 1 毫米,通常要小得多。大多数采用表面贴装 IC 外壳,包括带模拟或数字输出的放大电路。如图 1 所示,音频信号的输入端口可以位于封装 MEMS IC 的顶部或底部。 

 

MEMS 麦克风的声音端口位于顶部或底部。

图 1. MEMS 麦克风的声音端口位于顶部(左)或底部(右)。图片 [已修改] 由STMicroelectronics提供

 

大多数麦克风都是消费级的,具有良好的音质,但不等同于用于音频的麦克风。

 

MEMS 麦克风如何工作?模拟与数字麦克风输出

所有麦克风都以模拟音频信号开始,并使用前置放大器(有时称为缓冲器)将音频提升到可用但仍然很低的水平。许多使用电容式传感器技术,这将在下一节中介绍。它们包括将电容变化转换为电信号的附加电路。

 

MEMS麦克风模拟输出

模拟麦克风将增强信号直接发送到输出。有两种输出类型——单端和差分。差分系统有两个输出,彼此相位差 180 度。模拟麦克风有三个或四个引脚:电源、公共(接地)和一个或两个输出,具体取决于输出是单端还是差分。

电源始终由单个正电源提供。这会在输出端产生直流偏移,该偏移应由电容器去耦,如图 2 所示。 

 

图 2.模拟输出麦克风。

 

电源电压通常在 1.8 和 3.5 V 之间,典型的直流偏移在 0.8 到 1.5 V 之间。

 

MEMS 麦克风数字输出

具有数字输出的 MEMS 麦克风执行模数(A/D) 转换,将放大的模拟音频信号转换为数字信号。大多数使用delta-sigma 转换来产生 PDM(脉冲密度调制)输出,如图 3 所示。 

 

图 3.脉冲密度调制。当音频信号较高时,高脉冲(蓝色)具有较高的密度。图片由MyNewMicrophone.com提供

 

脉冲密度(即逻辑高脉冲的百分比)与电压成正比。这不是你通常认为的数字,因为没有创建数字词,只是脉冲。尽管通常使用微处理器程序或音频 CODEC(编码器/解码器),但只需将脉冲流通过低通滤波器即可对其进行解码。

大多数数字输出 MEMS 麦克风有五个引脚,如图 4 所示:

  • 力量
  • 共同点)
  • 输出
  • 时钟输入
  • L/R(左/右)选择

 

数字输出麦克风用于立体声系统。

图 4.数字输出麦克风用于立体声系统。

 

L/R 选择如何工作?如果连接为高电平(左),则 A/D 输出在时钟变高后发送。如果低,则数据跟随低时钟转换。这样,左右输出可以通过同一条数据线发送。

一些麦克风使用初由飞利浦半导体(现为恩智浦半导体)创建的I2S(Inter-IC Sound)标准。与 PDM 一样,它有一个时钟和 L/R 选择输入,但输出是数字字,而不是调制脉冲。同样,与 PDM 一样,它可以通过微处理器软件或 I2S CODEC 解码。此外,它不能被低通滤波器解码。 

 

MEMS麦克风技术

大多数 MEMS 麦克风都使用电容式传感器技术。硅结构中的薄镀膜随着声音振动,产生变化的电容。电容器的第二个极板位于硅中的固定表面上。IC 中的电荷泵为电容器产生高直流电压。IC 电路将电容变化转换为代表 MEMS 膜上音频信号的电信号。

近,一些制造商制造了使用压电传感元件的麦克风。压电元件的运动产生音频电压。这些公司声称比电容有一些优势,但对于大多数应用来说,使用哪种技术并不重要。

您可能还会看到术语“硅麦克风”。这不是第三种技术,只是描述硅 MEMS 麦克风的不同方式。

 

MEMS麦克风封装

麦克风元件及其电路不在同一硅芯片上。他们的制造技术差异太大,无法将它们制造在一起。相反,麦克风和单独的 ASIC(专用集成电路)组合在同一个封装中,通过引线键合连接,如图 5 所示。

 

图 5.带有顶部声音端口的 MEMS 麦克风封装。图片由CUI Devices提供

 

MEMS 麦克风采用类似 IC 的封装,用于表面贴装组装。当然,它们需要端口让声音进入。如图 1 前面所示,顶部和底部端口可用。图 5 是顶部端口 MEMS 麦克风的示例。如果使用带有底部端口的麦克风,则必须在其下方的电路板上打一个孔,如图 6 所示。

 

图 6.带有底部声音端口的 MEMS 麦克风封装。图片由STMicroelectronics提供

 

MEMS 麦克风的 PCB 安装

标准回流焊接技术可用于将 MEMS 麦克风连接到 PCB。但是,您当然必须小心,不要让污染物进入声音端口。在清洁过程中,您可能需要用胶带封住或密封端口。 

如果使用真空拾音器,不要让它们接触声音端口。另外,请勿将空气吹入端口或将麦克风暴露在真空中。,在您的设计中,放置一个电源至公共旁路电容器,使其尽可能靠近麦克风。0.1 uF 陶瓷电容器通常是电源去耦的不错选择。

 

MEMS 麦克风一般规格

大多数 MEMS 麦克风具有相似的规格。以下是一些典型值。敏感性令人困惑,所以让我们先尝试处理它。

  • 模拟输出灵敏度(典型值):-38 dBV,94 dB SPL,1 kHz
  • 数字输出灵敏度(典型值):-26 dB FS,94 dB SPL,1 kHz

让我们更详细地了解每个规范的含义。

  • dBV 表示相对于 1 V 参考的分贝数。-38 dBV 相当于 12.6 mV。 
  • dB FS 表示相对于 A/D 转换器满量程的分贝数。 
  • SPL 表示声压级。 ,3 英尺外的正常对话约为 40 至 60 dB SPL。耳朵处的 85 dB SPL 会导致听力受损。因此,94 dB SPL 是一个很高的值。

在正常语音水平下,模拟麦克风的输出将是低毫伏,而数字麦克风将远低于满量程。在某种程度上,这是一件好事,因为它为响亮的声音留下了很大的余量。

  • 频率响应:通常从低端的 80 或 100 Hz 到 10 或 15 kHz。适合语音,非常适合大多数音频。有些下降到 20 赫兹。在高端,响应在较高频率下增加,在 30 至 40 kHz 附近具有显着的超声共振峰值。在此之上,响应下降。
  • 工作温度:大部分为-40至+85摄氏度。
  • 电源电压:从 1.5 或 2 V 到 3 或 3.6 V。规格各不相同。
  • 尺寸:3 x 4 毫米或更小,高约 1 至 1.5 毫米。大多数使用相同的表面贴装焊盘图案。

与往常一样,检查您计划使用的麦克风的规格。

MEMS 技术在传感器(包括麦克风)方面取得了惊人的进步。MEMS 麦克风通常设计用于电路板安装,不仅包括麦克风,还包括具有模拟或数字输出的支持电路。我们回顾了基本技术、模拟和数字输出、物理封装和典型规格。

关键词: 麦克风技术

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