數(shù)字麥克風(fēng)及陣列拾音技術(shù)的應(yīng)用

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1、數(shù)字麥克風(fēng)及陣列拾音技術(shù)的應(yīng)用隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，使用數(shù)字音頻技術(shù)的電子產(chǎn)品越來越多。數(shù)字音頻接口成為發(fā)展的潮流，采用脈沖密度調(diào)制（PDM）接口的ECM和MEMS數(shù)字麥克風(fēng)也孕育而生。目前，ECM和MEMS數(shù)字麥克風(fēng)已經(jīng)成為便攜式筆記本電腦拾音設(shè)備的主流。數(shù)字ECM或MEMS麥克風(fēng)和傳統(tǒng)的ECM麥克風(fēng)相比，有著不可取代的優(yōu)勢。首先，移動設(shè)備向小型化數(shù)字化發(fā)展，急需數(shù)字拾音器件和技術(shù)；第二，設(shè)備包含的功能單元越來越多，如筆記本電腦，集成了藍牙和WiFi無線功能，麥克風(fēng)距離這些干擾源很近，設(shè)

2、備對抗擾要求越來越高；第三，三網(wǎng)合一的發(fā)展，需要上網(wǎng)，視頻和語音通信可以同時進行，這在移動設(shè)備中通常會遇到環(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(shù)字麥克風(fēng)適合SMT焊接，可以解決系統(tǒng)各種射頻干擾對語音通信產(chǎn)生的噪聲，富迪科技的數(shù)字陣列麥克風(fēng)拾音技術(shù)可以抑制和消除通話時的回聲和環(huán)境噪聲，數(shù)字接口方便同數(shù)字系統(tǒng)的連接。模擬麥克風(fēng)和數(shù)字麥克風(fēng)麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)：ECM模擬麥克風(fēng)通常是由振膜，背極板，結(jié)型場效應(yīng)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

3、體材料做成，經(jīng)過高壓極化以后帶有電荷，兩者形成平板電容。當(dāng)聲音引起振膜振動，使兩者距離產(chǎn)生變化，從而引起電壓的變化，完成聲電轉(zhuǎn)換。利用結(jié)型場效應(yīng)管用來阻抗變換和放大信號，有些高靈敏度麥克風(fēng)采用運放來提高麥克風(fēng)靈敏度（見圖1a）。ECM數(shù)字麥克風(fēng)通常是由振膜，背極板，數(shù)字麥克風(fēng)芯片和屏蔽外殼組成，數(shù)字麥克風(fēng)芯片主要由緩沖級，放大級，低通濾波器，抗模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生混疊，模數(shù)轉(zhuǎn)換將放大的模擬信號轉(zhuǎn)換成脈沖密度調(diào)制（PDM）信號，

4、通常采用過采樣的1位?-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換（見圖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(dǎo)體工藝制成的振膜，背極板和支架構(gòu)成，通過充電泵給背極板加上適當(dāng)?shù)臉O化偏壓。緩沖放大器完成阻抗變換，放大信號。MEMS數(shù)字麥克風(fēng)主要由MEMS傳感器，充電泵，數(shù)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(nèi)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1aECM模擬麥克風(fēng)1bECM數(shù)字麥克風(fēng)圖1c

5、MEMS模擬麥克風(fēng)圖1dMEMS數(shù)字麥克風(fēng)麥克風(fēng)偏置電路：通過手機中麥克風(fēng)電路的典型應(yīng)用，比較一下ECM模擬麥克風(fēng)，MEMS模擬麥克風(fēng)和數(shù)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R5電阻C9電容濾波以后，通過R6供給麥克風(fēng)內(nèi)部的場效應(yīng)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，用來濾除超過語音頻段的高頻信號，防止后級電路模數(shù)裝換時產(chǎn)生混疊。C13、C17隔離直流偏置，R7、R8

6、用來防止電容對芯片輸入端的放電沖擊。其余的33pF電容用來濾除射頻干擾。麥克風(fēng)輸出到基帶芯片的模擬輸入端采用差分布線，減少噪聲和射頻干擾（見圖2b）。MEMS麥克風(fēng)的偏置電路。麥克風(fēng)電源經(jīng)過R1電阻C2電容濾波以后，供給MEMS麥克風(fēng)內(nèi)置的緩沖放大器和充電泵電路。MEMS拾取的聲音信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號，經(jīng)過緩沖放大后輸出，經(jīng)過C5、R2、C6組成的π型濾波器濾波，偽差分電路布線到基帶芯片。圖2c為數(shù)字麥克風(fēng)的偏置電路。麥克風(fēng)電源經(jīng)過簡單濾波以后供給麥克風(fēng)。聲音轉(zhuǎn)換成模擬電信號經(jīng)過內(nèi)部緩沖放大，在

7、時鐘信號（SCL）的驅(qū)動，下最后模數(shù)轉(zhuǎn)換成1位的PDM音頻數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)引腳（DATA）輸出。圖2aECM模擬麥克風(fēng)電路圖2bMEMS模擬麥克風(fēng)電路圖2cECM/MEMES數(shù)字麥克風(fēng)電路各種類型麥克風(fēng)比較：表1歸結(jié)出ECM模擬麥克風(fēng)，ECM數(shù)字麥克風(fēng)，MEMS模擬麥克風(fēng)和MEMS數(shù)字麥克風(fēng)的性能指標(biāo)和各自的優(yōu)缺點。脈沖密度調(diào)制（PDM）信號和數(shù)字麥克風(fēng)接口：模擬信號轉(zhuǎn)換成PCM信號，根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，通常必須用大于2倍的固定采樣頻率對模擬信號采樣。模數(shù)裝換，每個采樣點可以用多位比特的數(shù)據(jù)表示。比特

8、數(shù)越多，采樣精度越高，失真越小，但是電路會復(fù)雜，成本很高，不適合低成本數(shù)字麥克風(fēng)應(yīng)用。如圖3b，數(shù)字麥克風(fēng)通常是采用1位δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對模擬信號進行過采樣（只能用于帶寬有限的信號，不適合寬頻信號，例如視頻信號），采樣率由外部時鐘提供。過采樣可使量化噪聲遠離被采樣的音頻信號。離信號主頻fs越近，噪聲幅度越小。同時對抗混疊濾波器的要求大大降低，可以到達很高的精度。圖3PDM信號數(shù)字麥克風(fēng)通常由5個引腳，分別是電源（VDD），地（GND），時鐘（CLK），數(shù)據(jù)（DAT）和通道選擇（L/R）。數(shù)字麥