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MEMS麦克风已成消费市场的主流产品选择

发布时间:2022-08-29 来源:艾睿电子 责任编辑:wenwei

【导读】麦克风已经是众多电子产品中内置的标准器件,从可穿戴设备到家庭助理,越来越多的设备被要求“听到”它们的环境,并随之做出相对的反应。本文将全面概述麦克风类型和基本原理,以及CUI Devices微机电系统(MEMS)麦克风的产品特性。


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ECM和MEMS麦克风的技术差异


随着麦克风应用的增加,对麦克风的灵敏度和体积的要求也越来越高。目前用来构建麦克风的两种最常见的技术是MEMS和驻极体电容,以下将先介绍MEMS和驻极体电容麦克风(ECM)的基础知识,比较技术之间的差异,并概述每种解决方案的优势。


MEMS麦克风由放置在印刷电路板(PCB)上,并用机械盖保护的MEMS组件构成。其在外壳上制造了一个小孔,以允许声音进入麦克风,如果开孔在顶盖中,则指定为顶部端口;如果开孔在PCB中,则指定为底部端口。MEMS组件通常设计有机械隔膜和在半导体芯片上创建的安装结构。


MEMS隔膜形成一个电容器,声压波引起隔膜的运动。MEMS麦克风通常包含第二个半导体芯片,该芯片用作音频前置放大器,将MEMS的变化电容转换为电信号。如果需要模拟输出信号,则将音频前置放大器的输出提供给用户。如果需要数字输出信号,则模数转换器(ADC)将包含在与音频前置放大器相同的芯片上。用于MEMS麦克风中的数字编码常用格式是脉冲密度调制(PDM),它允许仅与时钟和单条数据线进行通信。由于数据的单比特编码,简化了接收器处的数字信号解码。数字I²S输出是第三种选择,包括一个内部抽取滤波器,它允许在麦克风本身中完成处理。这意味着麦克风可以直接连接到数字信号处理器(DSP)或微控制器,从而在许多应用中无需ADC或编解码器。


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ECM包含有一个驻极体隔膜(具有固定表面电荷的材料)隔开与靠近导电板,与MEMS麦克风类似,形成一个电容器,其中气隙作为电介质。由于声压波移动驻极体膜片,电容器两端的电压随着电容值的变化而变化,电容电压变化由麦克风外壳内部的JFET放大和缓冲。JFET通常配置为共源配置,而外部应用电路中使用外部负载电阻和隔直电容。


ECM和MEMS麦克风各具优势


在ECM和MEMS麦克风之间进行选择时需要考虑很多因素,由于MEMS这种新技术提供的许多优势,MEMS麦克风的市场份额继续快速增长。例如,空间受限的应用会对MEMS麦克风的小封装尺寸很具有吸引力,而由于MEMS麦克风结构中包含模拟和数字电路,可以减少PCB面积和组件成本。模拟MEMS麦克风的输出阻抗相对较低,而数字MEMS麦克风的输出非常适合电噪声环境中的应用。在高振动环境中,使用MEMS麦克风技术可以降低由机械振动引入的不需要的噪声水平。此外,半导体制造技术和音频前置放大器的加入,使制造具有紧密匹配和温度稳定性能特性的MEMS麦克风成为可能。当MEMS麦克风用于阵列应用时,这些严格的性能特征尤其有益。在产品制造过程中,MEMS麦克风也可以通过拾放机轻松处理,并且可以承受回流焊接温度曲线。


尽管MEMS麦克风正在迅速普及,但仍有一些应用可能首选ECM。许多传统设计都使用了ECM,因此,如果项目是对现有设计的简单升级,最好继续使用ECM。将ECM连接到应用电路的选项包括引脚、电线、SMT、焊盘和弹簧触点,为工程师提供了额外的设计灵活性。如果防尘和防潮是一个问题,很容易找到具有高防护(IP)等级的ECM产品,因为它们的物理尺寸较大。对于需要非均匀空间灵敏度的项目,ECM产品可提供具有内在方向性的单向或噪声消除,而ECM的宽工作电压范围,可能是具有松散调节电压轨产品的首选解决方案。


PDM和I²S协议的特性各有不同


除了显着减小的占位面积、更低的功率要求和更大的电噪声抑制之外,MEMS麦克风的主要优点之一是增加了输出选项,为设计人员和工程师提供了更大的灵活性。虽然模拟选项仍然可用,但两种流行的输出选项是PDM和I²S的数字协议。这些接口各有其独特的特点,需要考虑的关键因素包括音频质量等级、功耗水平、物料清单成本、设计必须遵守的空间限制,以及将部署硬件的操作环境。


PDM用于将模拟信号电压转换为单位脉冲密度调制数字流,PDM信号看起来更类似于纵波,而不是与音频相关的典型横波,但它们是模拟信号的数字表示,这产生的信号具有数字信号的许多优点,同时仍与模拟信号直接相关。创建此PDM信号需要比通常更高的采样率(高于3 MHz的速率),因为数字脉冲的出现频率,必须比它们所代表的模拟信号的振荡频率高很多倍。


由于信号的数字特性,PDM比模拟信号更能适应电噪声环境,并且在信号劣化时具有更高的误码容限。高频信号确实会产生距离限制,因为较长传输线上的电容会增加,可能会导致不必要的衰减并伴随音频质量下降。这些信号还需要由具有适当编解码器的外部DSP或微控制器进一步处理,以通过低通滤波器运行PDM信号,以将其抽取或下采样到较低的采样率,从而使其可用于其他器件。


与PDM不同,I²S是完全数字信号,不需要编码或解码,且没有普遍要求的数据传输速度,但是,最低速度取决于正在传输的数据及其精度。如果音频采样率是44.1 kHz的行业标准,精度为8位,那么单声道通道将需要至少352.8 kHz的时钟速度。立体声应用将是705.6 kHz的两倍,精度的任何变化也会改变最小传输带宽。


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PDM提供更好的抗噪性和误码容限,可以使其对许多优先考虑音频质量的应用具有吸引力。相比之下,I²S更易于安装、可减少整体占用空间和减少组件数量,在产品尺寸或其价格标签被证明是主要关注点的情况下将具有优势。还应该注意的是,I²S接口将在更长的距离上提供更好的信号完整性,因此它也适用于麦克风和处理电路在电路板上不能彼此靠近的情况。


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提供多样化的MEMS麦克风选择性


MEMS麦克风在现代电子设计中变得司空见惯,拥有最佳接口至关重要。在决定哪个接口将可优化您的特定应用场景时,需要考虑许多因素。PDM可以成为具有挑战性的应用环境中的理想选择,这要归功于其固有的抗噪声能力。相反的,采用I²S允许输入直接连接到其随附的DSP或其他处理器/控制器器件,而不会产生任何额外的复杂性。


CUI Devices拥有广泛的MEMS麦克风产品组合,可满足各种音频系统要求。除了模拟接口单元外,各种PDM和I²S数字接口麦克风也一应俱全。CUI Devices的MEMS麦克风采用小至2.75 x 1.85 x 0.90 mm的紧凑、薄型封装,可为用户提供更好的音频质量和性能。这些MEMS麦克风的灵敏度等级为-42 dB至-26 dB,信噪比为57 dBA至65 dBA,灵敏度容差低至±1 dB,是一系列便携式消费电子应用的理想选择。为了更轻松地进行原型设计和设计测试,CUI Devices还提供了一个MEMS麦克风开发套件,其中包含四个独立的麦克风评估电路。


CUI Devices的MEMS麦克风具备顶部和底部端口版本、模拟和数字选项,以及-42 dB至-26 dB的灵敏度等级,电流消耗低至80 µA,您可至以下网址寻找最适合您需求的MEMS麦克风:

https://www.arrow.com/zh-cn/manufacturers/cui-devices/audio-components/microphones?promoGroupLevel=main&filters=Technology:MEMS。


结语


MEMS麦克风具备体积小、抗噪能力强等优势,是许多消费应用产品的首选,CUI Devices提供不同灵敏度、接口等产品类型,并提供完整的设计资源,能够帮助客户快速开发出相应的产品,值得您进一步了解与采用。



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