【導(dǎo)讀】麥克風(fēng)已經(jīng)是眾多電子產(chǎn)品中內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)器件，從可穿戴設(shè)備到家庭助理，越來越多的設(shè)備被要求“聽到”它們的環(huán)境，并隨之做出相對(duì)的反應(yīng)。本文將全面概述麥克風(fēng)類型和基本原理，以及CUI Devices微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）麥克風(fēng)的產(chǎn)品特性。
ECM和MEMS麥克風(fēng)的技術(shù)差異
隨著麥克風(fēng)應(yīng)用的增加，對(duì)麥克風(fēng)的靈敏度和體積的要求也越來越高。目前用來構(gòu)建麥克風(fēng)的兩種最常見的技術(shù)是MEMS和駐極體電容，以下將先介紹MEMS和駐極體電容麥克風(fēng)（ECM）的基礎(chǔ)知識(shí)，比較技術(shù)之間的差異，并概述每種解決方案的優(yōu)勢(shì)。
MEMS麥克風(fēng)由放置在印刷電路板（PCB）上，并用機(jī)械蓋保護(hù)的MEMS組件構(gòu)成。其在外殼上制造了一個(gè)小孔，以允許聲音進(jìn)入麥克風(fēng)，如果開孔在頂蓋中，則指定為頂部端口；如果開孔在PCB中，則指定為底部端口。MEMS組件通常設(shè)計(jì)有機(jī)械隔膜和在半導(dǎo)體芯片上創(chuàng)建的安裝結(jié)構(gòu)。
MEMS隔膜形成一個(gè)電容器，聲壓波引起隔膜的運(yùn)動(dòng)。MEMS麥克風(fēng)通常包含第二個(gè)半導(dǎo)體芯片，該芯片用作音頻前置放大器，將MEMS的變化電容轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。如果需要模擬輸出信號(hào)，則將音頻前置放大器的輸出提供給用戶。如果需要數(shù)字輸出信號(hào)，則模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將包含在與音頻前置放大器相同的芯片上。用于MEMS麥克風(fēng)中的數(shù)字編碼常用格式是脈沖密度調(diào)制（PDM），它允許僅與時(shí)鐘和單條數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信。由于數(shù)據(jù)的單比特編碼，簡(jiǎn)化了接收器處的數(shù)字信號(hào)解碼。數(shù)字I2S輸出是第三種選擇，包括一個(gè)內(nèi)部抽取濾波器，它允許在麥克風(fēng)本身中完成處理。這意味著麥克風(fēng)可以直接連接到數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或微控制器，從而在許多應(yīng)用中無需ADC或編解碼器。
ECM包含有一個(gè)駐極體隔膜（具有固定表面電荷的材料）隔開與靠近導(dǎo)電板，與MEMS麥克風(fēng)類似，形成一個(gè)電容器，其中氣隙作為電介質(zhì)。由于聲壓波移動(dòng)駐極體膜片，電容器兩端的電壓隨著電容值的變化而變化，電容電壓變化由麥克風(fēng)外殼內(nèi)部的JFET放大和緩沖。JFET通常配置為共源配置，而外部應(yīng)用電路中使用外部負(fù)載電阻和隔直電容。
ECM和MEMS麥克風(fēng)各具優(yōu)勢(shì)
在ECM和MEMS麥克風(fēng)之間進(jìn)行選擇時(shí)需要考慮很多因素，由于MEMS這種新技術(shù)提供的許多優(yōu)勢(shì)，MEMS麥克風(fēng)的市場(chǎng)份額繼續(xù)快速增長(zhǎng)。例如，空間受限的應(yīng)用會(huì)對(duì)MEMS麥克風(fēng)的小封裝尺寸很具有吸引力，而由于MEMS麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)中包含模擬和數(shù)字電路，可以減少PCB面積和組件成本。模擬MEMS麥克風(fēng)的輸出阻抗相對(duì)較低，而數(shù)字MEMS麥克風(fēng)的輸出非常適合電噪聲環(huán)境中的應(yīng)用。在高振動(dòng)環(huán)境中，使用MEMS麥克風(fēng)技術(shù)可以降低由機(jī)械振動(dòng)引入的不需要的噪聲水平。此外，半導(dǎo)體制造技術(shù)和音頻前置放大器的加入，使制造具有緊密匹配和溫度穩(wěn)定性能特性的MEMS麥克風(fēng)成為可能。當(dāng)MEMS麥克風(fēng)用于陣列應(yīng)用時(shí)，這些嚴(yán)格的性能特征尤其有益。在產(chǎn)品制造過程中，MEMS麥克風(fēng)也可以通過拾放機(jī)輕松處理，并且可以承受回流焊接溫度曲線。
盡管MEMS麥克風(fēng)正在迅速普及，但仍有一些應(yīng)用可能首選ECM。許多傳統(tǒng)設(shè)計(jì)都使用了ECM，因此，如果項(xiàng)目是對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單升級(jí)，最好繼續(xù)使用ECM。將ECM連接到應(yīng)用電路的選項(xiàng)包括引腳、電線、SMT、焊盤和彈簧觸點(diǎn)，為工程師提供了額外的設(shè)計(jì)靈活性。如果防塵和防潮是一個(gè)問題，很容易找到具有高防護(hù)（IP）等級(jí)的ECM產(chǎn)品，因?yàn)樗鼈兊奈锢沓叽巛^大。對(duì)于需要非均勻空間靈敏度的項(xiàng)目，ECM產(chǎn)品可提供具有內(nèi)在方向性的單向或噪聲消除，而ECM的寬工作電壓范圍，可能是具有松散調(diào)節(jié)電壓軌產(chǎn)品的首選解決方案。
PDM和I2S協(xié)議的特性各有不同
除了顯著減小的占位面積、更低的功率要求和更大的電噪聲抑制之外，MEMS麥克風(fēng)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是增加了輸出選項(xiàng)，為設(shè)計(jì)人員和工程師提供了更大的靈活性。雖然模擬選項(xiàng)仍然可用，但兩種流行的輸出選項(xiàng)是PDM和I2S的數(shù)字協(xié)議。這些接口各有其獨(dú)特的特點(diǎn)，需要考慮的關(guān)鍵因素包括音頻質(zhì)量等級(jí)、功耗水平、物料清單成本、設(shè)計(jì)必須遵守的空間限制，以及將部署硬件的操作環(huán)境。
PDM用于將模擬信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換為單位脈沖密度調(diào)制數(shù)字流，PDM信號(hào)看起來更類似于縱波，而不是與音頻相關(guān)的典型橫波，但它們是模擬信號(hào)的數(shù)字表示，這產(chǎn)生的信號(hào)具有數(shù)字信號(hào)的許多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)仍與模擬信號(hào)直接相關(guān)。創(chuàng)建此PDM信號(hào)需要比通常更高的采樣率（高于3 MHz的速率），因?yàn)閿?shù)字脈沖的出現(xiàn)頻率，必須比它們所代表的模擬信號(hào)的振蕩頻率高很多倍。
由于信號(hào)的數(shù)字特性，PDM比模擬信號(hào)更能適應(yīng)電噪聲環(huán)境，并且在信號(hào)劣化時(shí)具有更高的誤碼容限。高頻信號(hào)確實(shí)會(huì)產(chǎn)生距離限制，因?yàn)檩^長(zhǎng)傳輸線上的電容會(huì)增加，可能會(huì)導(dǎo)致不必要的衰減并伴隨音頻質(zhì)量下降。這些信號(hào)還需要由具有適當(dāng)編解碼器的外部DSP或微控制器進(jìn)一步處理，以通過低通濾波器運(yùn)行PDM信號(hào)，以將其抽取或下采樣到較低的采樣率，從而使其可用于其他器件。
與PDM不同，I2S是完全數(shù)字信號(hào)，不需要編碼或解碼，且沒有普遍要求的數(shù)據(jù)傳輸速度，但是，最低速度取決于正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及其精度。如果音頻采樣率是44.1 kHz的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，精度為8位，那么單聲道通道將需要至少352.8 kHz的時(shí)鐘速度。立體聲應(yīng)用將是705.6 kHz的兩倍，精度的任何變化也會(huì)改變最小傳輸帶寬。
PDM提供更好的抗噪性和誤碼容限，可以使其對(duì)許多優(yōu)先考慮音頻質(zhì)量的應(yīng)用具有吸引力。相比之下，I2S更易于安裝、可減少整體占用空間和減少組件數(shù)量，在產(chǎn)品尺寸或其價(jià)格標(biāo)簽被證明是主要關(guān)注點(diǎn)的情況下將具有優(yōu)勢(shì)。還應(yīng)該注意的是，I2S接口將在更長(zhǎng)的距離上提供更好的信號(hào)完整性，因此它也適用于麥克風(fēng)和處理電路在電路板上不能彼此靠近的情況。
提供多樣化的MEMS麥克風(fēng)選擇性
MEMS麥克風(fēng)在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中變得司空見慣，擁有最佳接口至關(guān)重要。在決定哪個(gè)接口將可優(yōu)化您的特定應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，需要考慮許多因素。PDM可以成為具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用環(huán)境中的理想選擇，這要?dú)w功于其固有的抗噪聲能力。相反的，采用I2S允許輸入直接連接到其隨附的DSP或其他處理器／控制器器件，而不會(huì)產(chǎn)生任何額外的復(fù)雜性。
CUI Devices擁有廣泛的MEMS麥克風(fēng)產(chǎn)品組合，可滿足各種音頻系統(tǒng)要求。除了模擬接口單元外，各種PDM和I2S數(shù)字接口麥克風(fēng)也一應(yīng)俱全。CUI Devices的MEMS麥克風(fēng)采用小至2.75 x 1.85 x 0.90 mm的緊湊、薄型封裝，可為用戶提供更好的音頻質(zhì)量和性能。這些MEMS麥克風(fēng)的靈敏度等級(jí)為-42 dB至-26 dB，信噪比為57 dBA至65 dBA，靈敏度容差低至±1 dB，是一系列便攜式消費(fèi)電子應(yīng)用的理想選擇。為了更輕松地進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)測(cè)試，CUI Devices還提供了一個(gè)MEMS麥克風(fēng)開發(fā)套件，其中包含四個(gè)獨(dú)立的麥克風(fēng)評(píng)估電路。
CUI Devices的MEMS麥克風(fēng)具備頂部和底部端口版本、模擬和數(shù)字選項(xiàng)，以及-42 dB至-26 dB的靈敏度等級(jí)，電流消耗低至80 μA，您可至以下網(wǎng)址尋找最適合您需求的MEMS麥克風(fēng)：
https://www.arrow.com/zh-cn/manufacturers/cui-devices/audio-components/microphones?promoGroupLevel=main&filters=Technology:MEMS。
結(jié)語
MEMS麥克風(fēng)具備體積小、抗噪能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是許多消費(fèi)應(yīng)用產(chǎn)品的首選，CUI Devices提供不同靈敏度、接口等產(chǎn)品類型，并提供完整的設(shè)計(jì)資源，能夠幫助客戶快速開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品，值得您進(jìn)一步了解與采用。
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