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MEMS麦克风可增强音频系统的质量和可靠性
时间:2013-10-9

新式 MEMS麦克风将高质量音频收集才能赋予便携式设备,一起可以下降本钱、功耗和尺度。

当今的花费电子设备正处于音频革新的前沿。这些年,规划人员专心于开发激动人心的新功用,如无线互联网拜访和移动电视等,但音频功用的开展却相对滞后。而如今,这种情况行将改动。

麦克风技能在多方面获得了增强,包括信噪比(SNR)更高、宽带频率响应更平整、灵敏度和相位匹配度更高级,这些技能前进有望推进新音频功用的开发——从高清音频和宽带 IP语音(VoIP)到改进型音频/视频录制以及用于免提通话的和波束构成。

这一趋势的底子推进力在于体系规划人员逐步认识到,音频处置信号链前端的麦克风功用欠安对全体音质有着深远的影响。若是构建音频子体系的麦克风功用有限,则为了调度和改进音频信号,对下流处置的需求会大大添加。

这些需求进而会前进功耗及体系和开发本钱,并使体系规划更趋杂乱。并且,尽管付出了极大尽力,音频质量仍然会受制于音频收集所用麦克风的功用。麦克风功用欠安必然会捆绑规划人员的四肢,使其凭借波束构成、噪声消除技能和立体声等新音频功用增强结尾商品功用的尽力大打折扣。

传统麦克风的功用约束

当今花费电子和通讯设备的大多数音频子体系都选用驻极体电容麦克风(ECM)。这种器材包括一个附着一层非导电性预充电资料的固定背板和一个一般由敷有金属的聚酯薄膜制成的柔性薄膜。背板和薄膜可随声响运动,二者构成一个电容。

薄膜的运动会改动容值,致使输出电压发生变化。一个小型三引脚 JFET装置于麦克风腔内部,充任容性传感器与输出端之间的缓冲器。一般运用一个外部前置放大器向模数转换器(ADC)供给信号。

一直以来,ECM因为供货来历很多且价格便宜而被体系规划人员广泛选用。ECM的最新开展方向聚集于下降本钱和减小尺度,但制作商们在前进麦克风灵敏度、SNR和线性度方面收效甚微。

因此,ECM技能尽管在曩昔为花费电子运用供给了成功的解决方案,但如今却在多方面约束了功用的改进。该技能的功耗相对较高,这是电池供电的移动体系规划人员的一个首要顾忌。电源按捺(PSR)或按捺电源噪声的才能相同相对较差。


较差的 PSR令规划人员不得不忧虑 LCD等其它体系组件所发生的噪声,然后削弱了规划人员放置麦克风时的灵敏性。运用 ECM的规划人员可以添加一个低压差调节器(LDO)来为麦克风发生洁净的电源,以补偿该技能 PSR较差的缺陷,但这种办法会添加体系元件数量,加大体系尺度、功耗和本钱。

此外,ECM技能还会导致一些额定的隐性本钱。首要,运用驻极体往往需求手艺安装,这就会添加制作进程的时刻和本钱。其次,ECM需求多个其它撑持元件,如分立转换器和前置放大器等。这些额定元件会加大电路板面积需求,前进功耗和本钱。

再次,与选用当今光刻半导体技能制作的器材比较,驻极体无法供给如此小的容差和如此高的器材间功用一致性。ECM的灵敏度和频率响应跟着器材和温度的不一样而有较大区别,体系规划人员难以为立体声等根本运用进行器材匹配。

为了补偿这种缺乏,对于此类运用构建多麦克风规划的制作商常常有必要手艺选择 ECM,以便非常好地匹配器材,而这又会前进本钱,使制作进程进一步杂乱化。

为了消除其间的一些问题,体系制作商现已开端改用表贴驻极体。可是,半导体职业正向无铅焊接过渡,由此带来了一些新的妨碍。无铅制作所用的更高回流焊接温度会下降驻极体功用,为了减轻回流焊技能对驻极体功用的影响,制作商往往不得不进行屡次回流焊操作。

麦克风规划的新方向

根据微机电体系(MEMS)技能的新一代麦克风突破了驻极体的许多约束性。这种全新的麦克风规划办法可供给数字或模拟输出,显着改进了音频收集的质量,适合于需求高保真音频/视频录制、免提、TIA-920兼容型 VoIP、语音辨认等功用的运用。

尽管 MEMS麦克风的开始运用仅限于助听范畴,但剖析人士以为,MEMS麦克风技能的最新开展将能使数百万该类器材在往后几年被集成到盛行的花费电子设备中,如蓝牙电话听筒、手机、PC和摄像机等。

新式麦克风运用 MEMS技能将压敏薄膜直接蚀刻到硅片中。规划人员一般将分立传感器与集成前置放大器和 ADC的ASIC匹配运用。当前运用的绝大部分 MEMS麦克风供给模拟输出,但近期的数字 MEMS器材有望大幅节约本钱、功耗和尺度。

数字输出麦克风还能极大地按捺 Wi-Fi天线和 LCD时钟信号等来历所发生的 RF噪声和电磁搅扰(EMI)。此外,数字输出麦克风还有望消除模拟信号调度需求,以及模拟信号布线一般需求的传统电缆屏蔽。这些前进将使体系规划人员可以更灵敏自由地组织麦克风在其规划中的方位,然后最大程度地发扬音频增强功用,如立体声和阵列波束构成等。

无论是模拟输出仍是数字输出,根据 MEMS的麦克风都可以消除 ECM带来的许多隐性本钱。MEMS麦克风选用光刻半导体技能制作,器材与器材之间的 MEMS商品容差高度一致。

选用 MEMS麦克风再也无需进行手艺安装和手艺选择器材等耗时的操作。此外,无铅焊接所需的更高回流焊温度也不会影响根据硅的 MEMS麦克风功用,因此结尾商品的质量和可靠性得以增强。

相同重要的是,MEMS麦克风制作商现已可以供给撑持高质量音频收集的麦克风。例如,ADI公司的数字和模拟输出全向 MEMS麦克风可供给业界最高的 61 dB A加权 SNR功用。

更高的 SNR使花费电子制作商可以对于电话会议或高保真音频/视频录制等运用供给非常好的近场和远场功用。ADI公司MEMS麦克风的典型频率响应在 100 Hz至 15 kHz以上范围内根本上是平整的(图 1)。


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