1、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(A
2、DC)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
3、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
4、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 200 的 MEMS 麦克风后面跟一个输入阻抗为 2k 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
5、之上。对于具有 100Hz 低频-3dB 点的麦克风和具有 10k 输入阻抗的编解码器或放大器来说(两个都是普通值)，即使相对小的 1.0?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转移进了麦克风，从而实现了从麦克风到处理器的全数字音频捕获通道。数字 MEMS 麦克风经常在模拟音频信号容易受到干扰的应用中使用。例如在平板电脑中，麦克风的位置也许不靠近 ADC，这两点之间的信号可能
6、会穿越或接近 Wi-Fi、蓝牙或蜂窝天线。将这些连接数字化后，它们就不容易受到这些射频干扰而在音频信号中产生噪声或失真。这种拾取有害系统噪声的改进给设计中的麦克风布局提供了很大的灵活性。在只需要模拟音频接口来连接模拟麦克风的系统中数字麦克风也很有用。在只需要音频捕获但不需要回放的系统中，像监控摄像机中，使用数字输出麦克风后就不需要单独的编解码器或音频转换器了，麦克风可以直接连接数字处理器。当然，好的数字设计经验仍必须应用于数字麦克风的时钟和数字信号。20 至 100 的小值源端接电阻很有用，它能确保至少数英寸长的走线上有良好的数字信号完整性(图 7)。当使用更短的走线长度，或者以较低速率运行数
7、字麦克风时钟时，麦克风引脚可以直接连接到编解码器或 DSP，不需要任何无源元件。图 7：PDM 麦克风以源端接方式连接到编解码器PDM 是一种最常见的数字麦克风接口。这种接口允许两个麦克风共享一个公共的时钟与数据线。每个麦克风被配置为在时钟信号的不同沿产生各自的输出。这样两个麦克风的输出就能保持相互同步，设计师就能确保来自每个通道的数据被同时捕获到。在最坏情况下，从两个麦克风捕获到的数据可能在时间上隔半个时钟信号周期。这种时钟的频率典型值约为 3MHz，因此通道内时间差仅为 0.16us，远小于听者可以觉察到的阈值。这种相同的同步机制还可以扩展到具有两个以上 PDM 麦克风的系统中，只需确保所
8、有麦克风都连接到相同的时钟源，并且数据信号都在一起滤波和处理。在使用模拟麦克风的情况下，这种同步实现将上移到 ADC。I2S多年来 I2S 一直是音频转换器和处理器的一种通用数字接口，只是最近才被集成进信号链边缘的设备中，比如麦克风。I2S 麦克风拥有与 PDM 麦克风相同的系统设计优势，但不再输出高采样速率的 PDM 信号，它输出的数字数据采用抽取过的基带音频采样率。在PDM 麦克风方案中，这种抽取是在编解码器或 DSP 中实现的，但在I2S 麦克风方案中，这个抽取过程直接在麦克风中完成，因此在某些系统中可以完全取消 ADC 或编解码器。I2S 麦克风可以直接连接具有这种标准接口的 DSP
9、或微控制器(图 8)。与 PDM 麦克风一样，两个 I2S 麦克风可以连接到一条公共的数据线上，不过与 PDM 不同的是，I2S 格式使用两个时钟信号一个字时钟和一个位时钟。图 8：连接 DSP 的立体声 I2S 麦克风在尺寸很重要的情况下一般来说，模拟 MEMS 麦克风的封装尺寸要比数字麦克风小。这是因为模拟麦克风封装需要的引脚较少(一般是 3 个，而数字麦克风需要 5 个甚至更多)，模拟前置放大器的电路也比数字的少，因此采用相同制作工艺制造的模拟前放要比数字前放小。在大多数空间受约束的设计中，比如许多小型移动设备中，模拟麦克风因为尺寸小而更受欢迎。模拟麦克风的封装尺寸可以是 2.53.350.88mm 或更小，而PDM 麦克风的封装尺寸通常是 341mm，在封装体积上增加了62%。模拟和数字 MEMS 麦克风在不同的应用中都可以发挥自己的优势。综合系统体积和元器件的布局的限制、电气连接和潜在的噪声源及干扰等考虑因素，我们就可以作出最适合当前设计的麦克风的决策
