1577
在之前的文章中，已经简单介绍了如声学过载点(AOP)、信噪比(SNR)、动态范围、灵敏度和带宽等概念，接下来，本篇文章将更详细解读，关于模拟和数字麦克风电子接口和信号要求的信息。
电气实现是一个关键的麦克风成功因素，同样声学和机械实现。麦克风需要一个高性能的输出信号路径和工作环境，使获得最好的信号质量的系统。优化信号质量包括:
- 高性能信号通路，能够携带麦克风输出信号而不退化
噪声等级、频率响应、相位特性、动态范围或其他关键参数
防止外界干扰，例如传导和辐射的射频信号
与其他数据跟踪分离，以避免串扰
- 与设备中其他有噪声的电子系统隔离
- 合理的电磁辐射环境
- 高质量的时钟信号(用于数字麦克风)
在接下来的文章中，我们将介绍MEMS麦克风在智能手机、智能扬声器、物联网设备和笔记本电脑等系统中的电子实现的关键点。有些信息根据麦克风的输出格式分为两部分，模拟的或数字的。模拟信号比数字信号更容易受到干扰。因此，在设备中实现模拟麦克风和数字麦克风的任务有很大的不同。一般来说，使用模拟麦克风比使用数字麦克风需要更多的时间和精力来达到更高的性能水平。电路的设计、电路板的布局和布线在模拟领域比在数字领域要重要得多。使用模拟麦克风获得满意的结果需要经验、精心的设计工作、原型设计和多次设计迭代。有了数字麦克风，规则就简单多了。由于更容易实现，数字接口麦克风的普及已经上升，特别是在更大的设备和设备的电磁环境特别恶劣。例如，笔记本电脑麦克风的数据跟踪往往很长，它们运行在干扰源旁边，所以数字麦克风几乎只用于该产品类别。
模拟麦克风接口
模拟MEMS麦克风有两种常用接口:单端和差分接口。直到最近几年，单端芯片一直主导着市场，但由于性能要求的提高(例如，动态范围)和对更好的抗干扰信号鲁棒性的需求，差分芯片最近越来越受欢迎。
单端接口是一种简单、低成本的解决方案。麦克风只需要三个引脚:VDD，信号和接地。单端接口不能有效地防止干扰，例如射频干扰、来自其他信号线的串扰、发送端和接收端之间的接地电压差异。差分接口将麦克风的输出信号传输到两个极性相反的互补信号线中。接收端有效信号Vout为两个信号之差。因此，差动接口提供了比单端高6dB的动态范围(假设两个MEMS传感器具有相同的接口钢轨电压和相同的灵敏度)。换句话说，差分接口使接口的动态范围加倍。两个互补信号线的干扰(理想情况下)是相同的，当用差分放大器接收信号时，干扰可以从信号中消除。
理想差动线周围的电磁场为零，因此精心设计的差动界面也减少了麦克风输出信号对其他线路的干扰。良好的干扰抑制性能要求两个信号道具有良好的匹配(均衡阻抗、匹配线路布局)。
单端输入麦克风与差分输入麦克风
图3显示了模拟麦克风接口的两个示例。左边的单端接口是音频编解码器的接口。差分接口是一个带有差动放大器的接口。两个电路包括一个0.1μf电容(可以使用更高的电容,达10μf)从电源电压行过滤干扰。电源线上可能需要额外的小值电容(50 - 100pF)来滤除RF干扰。一般情况下，电源滤波电容的物理位置应尽可能靠近麦克风，最小值最靠近麦克风。也有系列电容(> 1μf)在输出线滤波器可能的直流分量的信号。
图3单端(左)和差分(右)模拟麦克风接口示例
设备麦克风信号路径要求-动态范围
之前的文章有多次提到，在高性能模拟麦克风接口中，一个关键的成功因素是确保信号路径的动态范围不限制麦克风的性能。模拟麦克风输出的最大信号摆幅可以通过使用麦克风的灵敏度(输出电压与94dBSPL (1Pa) rms声学参考信号输入)和声学过载点(AOP)来计算。麦克风的AOP既可以指定为峰值，也可以指定为rms值。对于输出电压，在计算最大信号电平时，我们主要关注峰值或峰峰值。
模拟麦克风的rms灵敏度可由下式计算，其中灵敏度mv /Pa(rms)是当麦克风参考输入值为94dBSPLrms时的输出电压：
94dBSPLrms声音输入测得的rms输出电压由上式可得:
如果将麦克风的AOP声压级指定为一个峰值(AOPpeak)，则可以通过计算AOPdBSPL(peak)与94dBSPLrms之间的差异(分贝)，并将其加到Voutput(rms)@94dBSPL(rms)，得到麦克风在AOP时的输出电压峰值。
如果AOPSPL被给定为一个rms值(AOPrms)，则可以通过在Voutput(peak)@AOP(peak)中添加+3dB来计算AOP输出电压的峰值(见图4)。
图4 AOP(peak)和AOP(rms)在麦克风灵敏度上的区别
峰间信号电压摆幅可通过峰值加倍计算。例如，对于灵敏度为-38dBV和AOPpeak 130dBSPL的麦克风，其最大峰峰输出电压为:
这种峰间电压摆动可能很难与具有1.8V轨电压和最大信号摆动约1.6V(从0.1V到1.7V;实际的最大和最小信号值通常约为理论轨电压的100mV)。但是，如果麦克风的灵敏度容差为±1dB，则离群麦克风的灵敏度可能为-37dBV。由此产生的Voutput(p-p)@AOP(peak)为1.8V，接口超出了动态范围。
如果将AOPdBSPL指定为一个rms值，则AOP信号峰值级别要高3dB。例如，如果rms AOP是130dBSPL，那么AOP的峰值就是133dBSPL。如上图所示，麦克风灵敏度为-38dBV时，最大峰间电压幅值从1.6V增加到2.2V以上。这不再与1.8V单端接口兼容。
在下面的例子(1)(参见图5)中，进入麦克风的声压对于麦克风和/或麦克风信号链来说太高了，因此信号被扭曲、剪切。这个问题可以通过以下方法来缓解:
(a)降低麦克风灵敏度
(b)增加信号通路钢轨电压或
(c)从单端切换到差分接口
需要注意的是，降低麦克风的灵敏度可能会影响重要的参数，如信噪比和麦克风系统捕捉低电平/远距离声音的能力。
图5 高声压级输入对麦克风输出的影响
整个麦克风信号链的噪声层必须足够低，以支持麦克风的噪声性能。在某些情况下，麦克风信号路径的某些部分，例如编解码器的输入，可能不支持非常低的信号电平。信号电平可能很低，因为麦克风的灵敏度低，传入的声压电平低(例如，如果声源相对安静和/或很远)。结果可能是麦克风信号被埋在信号路径的噪声层中。
在下面的例子(2)(参见图6)中，传入的声音非常安静(大致相当于一个人在8米外说话)，由于信号路径的噪声，麦克风系统输出的信噪比非常低。这个问题可以通过以下方法来缓解:
(a)选择灵敏度较高的麦克风(最好是相同的噪声地板)
(b)将麦克风输出信号放大到信号链或有噪声部分之前
(c)选择低噪音的元件，并确保干扰不污染线路，以减低信号链的噪音水平
图6 低声压级输入对麦克风输出的影响
本次文章将会分开，本次主要介绍公式和集中状况产生的原因，后续将进一步介绍电路设计时的注意事项。
