在雙線(xiàn)式麥克風(fēng)電路中使用MEMS麥克風(fēng)

　　簡(jiǎn)介

　　如今MEMS麥克風(fēng)正逐漸取代音頻電路中的駐極體電容麥克風(fēng)(ECM)。ECM和MEMS這兩種麥克風(fēng)的功能相同，但各自和系統其余部分之間的連接卻不一樣。本應用筆記將會(huì )介紹這些區別，并根據一個(gè)簡(jiǎn)單的基于MEMS麥克風(fēng)的替換電路提供設計詳情。

　　音頻電路的ECM連接

　　ECM有兩根信號引線(xiàn)：輸出和接地。麥克風(fēng)通過(guò)輸出引腳上的直流偏置實(shí)現偏置。這種偏置通常通過(guò)偏置電阻提供，而且麥克風(fēng)輸出和前置放大器輸入之間的信號會(huì )經(jīng)過(guò)交流耦合。

　　圖1. ECM電路連接

　　ECM的常見(jiàn)用例是在手機上連接的耳機中用作內聯(lián)式語(yǔ)音麥克風(fēng)。這種情況下，耳機和手機之間的連接器有四個(gè)引腳：左側音頻輸出、右側音頻輸出、麥克風(fēng)信號以及接地。在這種設計中，ECM的輸出信號和直流偏置電壓在同一信號線(xiàn)路中傳輸。偏置電壓源通常約為2.2 V.

　　MEMS麥克風(fēng)區別

　　模擬MEMS麥克風(fēng)的信號引腳上不使用輸入偏置電壓。但是，它是一種三端器件，有不同的引腳分別用于電源、接地和輸出。VDD引腳的供電電壓一般為1.8至3.3 V.MEMS麥克風(fēng)的信號輸出通過(guò)直流電壓實(shí)現偏置，一般等于或接近0.8 V.在設計中，該輸出信號通常會(huì )經(jīng)過(guò)交流耦合。

　　相對于ECM，使用MEMS麥克風(fēng)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于它的電源抑制(PSR)性能更強。MEMS麥克風(fēng)的PSR通常至少為70 dBV，ECM卻根本沒(méi)有電源抑制能力，因為偏置電壓直接通過(guò)電阻連接至麥克風(fēng)。

　　用MEMS麥克風(fēng)取代ECM時(shí)需要進(jìn)行的電路更改

　　對于原本圍繞ECM設計的系統，改用MEMS麥克風(fēng)時(shí)面臨的基本難題是，電源和麥克風(fēng)輸出沒(méi)有單獨的信號，例如使用耳機式麥克風(fēng)時(shí)。如果對電路進(jìn)行一些小的更改，就可以在此類(lèi)設計中使用MEMS麥克風(fēng)。首先，必須將信號鏈中直流偏置提供的下游信號與麥克風(fēng)的輸出信號隔離。其次，必須將此直流偏置用于為MEMS麥克風(fēng)供電，而且不能讓麥克風(fēng)的輸出信號干擾電源。直流偏置的隔離可通過(guò)交流耦合電容實(shí)現，MEMS麥克風(fēng)的電源可通過(guò)仔細設計的電路提供，該電路充當分壓器和低通濾波器。以下設計中使用了ADMP504 MEMS麥克風(fēng)作為示例。其中用到了一個(gè)2.2 k偏置電阻。

　　圖2.將一根線(xiàn)用于電源和輸出信號的MEMS麥克風(fēng)

　　圖2顯示了一個(gè)實(shí)現上述功能的設計示例。在耳機的設計中，耳機連接器左側的電路部分將會(huì )在實(shí)際耳機中，2.2 k偏置電阻和1 F交流耦合電容則在源設備(例如智能手機)中。電阻R1和R偏置形成分壓器，MEMS麥克風(fēng)將V偏置電壓降至VDD引腳的供電電壓。根據V偏置、R偏置和所需VDD電壓的值，電阻R1可能需要非常小，如下例所示。要計算所需的串聯(lián)電阻(R偏置+ R1)，可將麥克風(fēng)建模為一個(gè)電阻，將有固定電流從中流過(guò)。VDD = 1.8 V時(shí)，ADMP504的典型供電電流為180 A.根據歐姆定律，VDD上的電壓為1.8 V時(shí)，該麥克風(fēng)可建模為一個(gè)10 k的電阻。要求解合適的電阻R1值，所用的分壓器公式為：

　　[麥克風(fēng)VDD]=[偏置電壓]×(10 k /(10 k + R1 + R偏置))

　　根據此公式可以算出，一個(gè)2.2 k的R偏置電阻和一個(gè)499的R1電阻會(huì )從2.2 V偏置電壓分出1.73 V到麥克風(fēng)的VDD上。在選擇R1值時(shí)，需要進(jìn)行權衡取舍;如下所示，此值太大會(huì )導致VDD過(guò)小，但為了防止C2過(guò)大，又不能讓此值太小。如今MEMS麥克風(fēng)正逐漸取代音頻電路中的駐極體電容麥克風(fēng)(ECM)。ECM和MEMS這兩種麥克風(fēng)的功能相同，但各自和系統其余部分之間的連接卻不一樣。本應用筆記將會(huì )介紹這些區別，并根據一個(gè)簡(jiǎn)單的基于MEMS麥克風(fēng)的替換電路提供設計詳情。關(guān)鍵詞：MEMSADI

　　圖3顯示了該分壓器的兩種不同模型。左側，ADMP504麥克風(fēng)建模為180 A電流源;右側，麥克風(fēng)則建模為具有1.8 V VDD的10 k電阻。

　　圖3.分壓器模型

　　電容C2和電阻R1形成低通濾波器，用于對電壓供電信號中輸出的麥克風(fēng)音頻進(jìn)行濾波。這種濾波器轉折頻率應該遠低于麥克風(fēng)本身的濾波器較低轉折頻率。將低通濾波器設計為至少低于麥克風(fēng)較低轉折頻率的兩個(gè)倍頻程，這會(huì )是一個(gè)好的開(kāi)端。對于A(yíng)DMP504，此轉折頻率為100 Hz.10 F的電容和499的R1電阻可實(shí)現轉折頻率為31 Hz的濾波器。較大的電容或電阻會(huì )進(jìn)一步降低此轉折頻率，但是該濾波器的電阻大小必須與它對分壓器的貢獻保持平衡，其中，分壓器會(huì )向麥克風(fēng)提供VDD.低通濾波器的?3 dB點(diǎn)的計算公式如下：

　　f-3 dB = 1/(2π×R1×C2)

　　其中：

　　R1為分壓器中的電阻。

　　C2為低通濾波器電容。

　　電容C1對麥克風(fēng)輸出進(jìn)行交流耦合，這樣它的偏置輸出就會(huì )與通過(guò)手機提供的麥克風(fēng)偏置電壓隔離。在給定的VDD條件下，憑借R偏置、R1和麥克風(fēng)的等效電阻，該電容還會(huì )形成高通濾波器。計算高通濾波器轉折頻率時(shí)要考慮的總電阻為與R偏置并聯(lián)的RMIC和R1的串聯(lián)電阻。此電阻的計算公式為

　　R總=((RMIC + R1)×R偏置)/(RMIC + R1 + R偏置)

　　對于此處的示例，R總= 1810.高通濾波器轉折頻率為：

　　f-3 dB = 1/(2π(R總×C1)