数字麦克风技术及发展现状

飞兆半导体

近年来随着麦克风技术及小信号模数转换技术的发展，使驻极体电容式麦克风(ECM)可以增加数字音频输出，从而为麦克风这种电子产品的应用开创了一个新的局面。一直以来，ECM麦克风厂商都在致力于提高产品的敏感度，信噪比和回流焊接等性能，麦克风模数转换芯片，尤其是应用于微机电系统(MEMS)麦克风的转换芯片的推出正在极大整体提高上述麦克风性能。

随着飞兆半导体等一大批知名半导体公司的加入及推出ECM和MEMS麦克风模数转换芯片，令过去数十年来普遍采用的结型场效应晶体管(JFET)逐渐被淘汰，也令这个市场出现结构上的转变，为麦克风添加数字输出功能将会是放大器技术的目前的重要发展，这种新技术适用于移动电话、笔记型电脑以及其他便携式麦克风应用设备。

MEMS麦克风是通过微机电技术在半导体上蚀刻压力感测膜片而制成的微型麦克风, 随着MEMS产品愈来愈便宜，且数量不断增加，以及硅晶麦克风在外形尺寸、可扩展性和声音品质等方面也大大超过传统麦克风。与此同时，在噪音消除、波束成形等应用方面，MEMS也具有可简化设计的特性，预计全球MEMS麦克风将保持平均25%以上的年成长率，到2013年可达11亿支(见下图1)的年出货规模。这也意味着数字麦克风转换芯片市场将有年超过一亿美金的规模。

图1

基于此，飞兆半导体作为模拟技术行业领导者正在推出高性能的ECM麦克风数字转换芯片及正在战略进入完整MEMS数字麦克风方案及噪音消除系统领域。

正因为这个行业如此重要及充满希望，为了帮助读者加深技术认识、提高产品应用能力及加强对飞兆半导体产品的印象，作者基于我们麦克风产品参数对大家做个基本介绍。

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参看下图2，数字麦克风的基本架构是以驻极体隔膜或MEMS基础来构成声压到电压的转换部分，然后内部集成极低噪声的电压信号运算放大器，高性能Σ·Δ模拟到数字的转换器以及基于脉冲密度调制输出的数字接口，并支持立体声或者时分复用。

图2

当然，更重要的是数字麦克风产品需要满足苛刻的性能指标，飞兆半导体以向产业界提供高性能模拟产品为己任，并正在提供如下优异的产品指标：

输入声压级 94dB SPL即– 26dBFS时，信噪比(SNR)为60-62dBc(A).

PGA + ADC 综合底噪为6.3 μVRMS ，单纯PGA底噪为3.2 μVRMS .

输入声压级 94dB SPL即– 26dBFS时，总谐波失真(THD)<0.04%.

在不影响总谐波失真(THD)的情况下，设计最大输入信号为: 710 mVP-P.

针对声电转换敏感度-42到-38dBV/Pa的麦克风增益12，14，16dB可选.

芯片工作电流 ≤ 450 μA.

下面作者就麦克风产品中上述部分参数进行阐述，在声学设备应用中，我们引入了声压级(SPL: sound pressure level)这个气压相对参数来表征声音的大小，声压Lp是以20微帕斯卡(μPascal)为基准来表征声音压强大小的对数结果。

因此，1帕斯卡大小有效声压对应的声压级就是大约94dB SPL.

即Lp(1Pascal)=20log10(1 Pa/20 μPa) = 93.97 dB(SPL) ≈ 94 dB(SPL).

然后，我们知道典型的ECM麦克风的灵敏度是-42到-38dBV/Pa，也就是说通常麦克风拾音前端接收到1帕斯卡的音压会产生-42到-38dBV的平均电压波动输出到放大前端，dBV为即以1Vrms(有效电压或说电压均方根值)做为基准来表征麦克风转化得到的电压输入大小。所以,-42dBV=7.9mVRMS=22.4mVP-P，由此,120dB SPL

声压被麦克风前端吸收将会产生 120dBSPL–94dBPa/SPL–42dBV/Pa=-16dBV 电压或者说158.5mVRMS,同时，我们在麦克风指标中也提到了dBFS,所谓dBFS就是ADC输入电压相对ADC参考电压的对数表示即：20×log10(VIN × AV / VREF)=dBFS，我们称之为分数全刻度(Fractional Full Scale),通常我们把麦克风前端声压输入为120dB SPL时对应设置Av(放大器增益)和VREF来使VIN × AV / VREF=1，当然这些Av和VREF一般来说已经在芯片内部配置完成，所以，对于此给定设置的芯片，0dBFS对应120dB SPL, -26dBFS也就对应94dB SPL了。最后，我们来谈谈信噪比和噪声的计算，信噪比通常用dBc或者dB来表示，c代表载波(carrier),所以一般表征以噪声为基准的信号对数强度时候我们可用dBc,上文提及产品输入声压级 94dB SPL即– 26dBFS时，信噪比为62dBc(A)，也就是说120dB SPL即0dBFS时，信噪比为88dBc(A)，32dB SPL即– 88dBFS时，信噪比(SNR)为0dBc即有效信号与噪声强度完全相等，所以产品系统底噪(Noise Floor)=32dB(SPL),对应噪声电压=32dBSPL–94dBPA/SPL–42dBV/Pa=-104 dBV=6.3 μVRMS。同时也可知本数字麦克风芯片的输入动态范围为32-120dB(SPL)。

总的来说，通过对本文的理解，读者可以了解到，为满足用户对在移动设备上获得更好的听觉体验的广泛需求，新的高性能数字麦克风正在有助于目标应用大幅提升音质，甚至提供噪声确定和过滤等更多功能，譬如整合多个数字麦克风来实现噪声抑制和方向性拾声。随着便携式设备在大噪声的环境中的使用率不断提高以及提升手机通话以及多方通话的音质的迫切需求，数字麦克风必将全面盛行。