邁進(jìn)數字拾音時(shí)代――數字麥克風(fēng)和陣列拾音技術(shù)的應用

隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)的發(fā)展，使用數字音頻技術(shù)的電子產(chǎn)品越來(lái)越多。數字音頻接口成為發(fā)展的潮流，采用脈沖密度調制（PDM）接口的ECM和MEMS數字麥克風(fēng)也孕育而生。目前，ECM和MEMS數字麥克風(fēng)已經(jīng)成為便攜式筆記本電腦拾音設備的主流。

數字ECM或MEMS麥克風(fēng)和傳統的ECM麥克風(fēng)相比，有著(zhù)不可取代的優(yōu)勢。首先，移動(dòng)設備向小型化數字化發(fā)展，急需數字拾音器件和技術(shù)；第二，設備包含的功能單元越來(lái)越多，如筆記本電腦，集成了藍牙和WiFi無(wú)線(xiàn)功能，麥克風(fēng)距離這些干擾源很近，設備對抗擾要求越來(lái)越高；第三，三網(wǎng)合一的發(fā)展，需要上網(wǎng)，視頻和語(yǔ)音通信可以同時(shí)進(jìn)行，這在移動(dòng)設備中通常會(huì )遇到環(huán)境噪聲和回聲的影響；第四，從提高生產(chǎn)效率角度，希望對麥克風(fēng)采用SMT焊接。數字麥克風(fēng)適合SMT焊接，可以解決系統各種射頻干擾對語(yǔ)音通信產(chǎn)生的噪聲，富迪科技的數字陣列麥克風(fēng)拾音技術(shù)可以抑制和消除通話(huà)時(shí)的回聲和環(huán)境噪聲，數字接口方便同數字系統的連接。

模擬麥克風(fēng)和數字麥克風(fēng)
麥克風(fēng)結構：ECM模擬麥克風(fēng)通常是由振膜，背極板，結型場(chǎng)效應管(JFET)和屏蔽外殼組成。振膜是涂有金屬的薄膜。背極板由駐極體材料做成，經(jīng)過(guò)高壓極化以后帶有電荷，兩者形成平板電容。當聲音引起振膜振動(dòng)，使兩者距離產(chǎn)生變化，從而引起電壓的變化，完成聲電轉換。利用結型場(chǎng)效應管用來(lái)阻抗變換和放大信號，有些高靈敏度麥克風(fēng)采用運放來(lái)提高麥克風(fēng)靈敏度（見(jiàn)圖1a）。ECM數字麥克風(fēng)通常是由振膜，背極板，數字麥克風(fēng)芯片和屏蔽外殼組成，數字麥克風(fēng)芯片主要由緩沖級，放大級，低通濾波器，抗模數轉換組成。緩沖級完成阻抗變換，放大級放大信號，低通濾波濾除高頻信號，防止模數轉換時(shí)產(chǎn)生混疊，模數轉換將放大的模擬信號轉換成脈沖密度調制(PDM)信號，通常采用過(guò)采樣的1位Δ-Σ模數轉換（見(jiàn)圖1b）。MEMS模擬麥克風(fēng)主要由MEMS傳感器，充電泵，緩沖放大器，屏蔽外殼組成。參照圖1c, MEMS傳感器由半導體工藝制成的振膜，背極板和支架構成，通過(guò)充電泵給背極板加上適當的極化偏壓。緩沖放大器完成阻抗變換，放大信號。MEMS數字麥克風(fēng)主要由MEMS傳感器，充電泵，數字麥克風(fēng)芯片和屏蔽外殼組成，參照圖1d。為了提高麥克風(fēng)抗干擾能力，麥克風(fēng)內部電源和地之間都增加了小的濾波電容，通常是10pF和33pF并聯(lián)。

圖1a ECM模擬麥克風(fēng)

圖1b ECM數字麥克風(fēng)

圖1c MEMS模擬麥克風(fēng)

圖1d MEMS數字麥克風(fēng)

麥克風(fēng)偏置電路：通過(guò)手機中麥克風(fēng)電路的典型應用，比較一下ECM模擬麥克風(fēng)，MEMS模擬麥克風(fēng)和數字麥克風(fēng)的差異。圖2a為ECM模擬麥克風(fēng)的偏置電路。為了減小干擾，手機中的麥克風(fēng)電路采用差分輸出。麥克風(fēng)電源經(jīng)過(guò)R5電阻C9電容濾波以后，通過(guò)R6供給麥克風(fēng)內部的場(chǎng)效應管，由R6、R9差分組成差分輸出電路。C15和R6、R9以及麥克風(fēng)的輸出阻抗組成低通濾波器，用來(lái)濾除超過(guò)語(yǔ)音頻段的高頻信號，防止后級電路模數裝換時(shí)產(chǎn)生混疊。C13、C17隔離直流偏置，R7、R8用來(lái)防止電容對芯片輸入端的放電沖擊。其余的33pF電容用來(lái)濾除射頻干擾。麥克風(fēng)輸出到基帶芯片的模擬輸入端采用差分布線(xiàn)，減少噪聲和射頻干擾（見(jiàn)圖2b）。MEMS麥克風(fēng)的偏置電路。麥克風(fēng)電源經(jīng)過(guò)R1電阻C2電容濾波以后，供給MEMS麥克風(fēng)內置的緩沖放大器和充電泵電路。MEMS拾取的聲音信號轉換成模擬電信號，經(jīng)過(guò)緩沖放大后輸出，經(jīng)過(guò)C5、R2、C6組成的π型濾波器濾波，偽差分電路布線(xiàn)到基帶芯片。圖2c為數字麥克風(fēng)的偏置電路。麥克風(fēng)電源經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單濾波以后供給麥克風(fēng)。聲音轉換成模擬電信號經(jīng)過(guò)內部緩沖放大，在時(shí)鐘信號（SCL）的驅動(dòng)，下最后模數轉換成1位的PDM音頻數據,從數據引腳（DATA）輸出。

圖2a ECM模擬麥克風(fēng)電路

圖2b MEMS模擬麥克風(fēng)電路

圖2c ECM/MEMES數字麥克風(fēng)電路

各種類(lèi)型麥克風(fēng)比較：表1歸結出ECM模擬麥克風(fēng)，ECM數字麥克風(fēng)，MEMS模擬麥克風(fēng)和MEMS數字麥克風(fēng)的性能指標和各自的優(yōu)缺點(diǎn)。