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模拟和数字MEMS麦克风设计考虑

上网日期: 2014年04月14日 ?? 作者: Jerad Lewis ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:麦克风? 抽取滤波器? 脉冲密度调制? 运放?

麦克风是一种将声压波转换为电信号的换能器。在音频信号链中有越来越多的传感器与其它元件集成在一起,MEMS技术则使得麦克风越来越小,并且可以提供模拟或数字输出。

模拟和数字麦克风输出信号在设计中显然有不同的考虑因素。本文要讨论将模拟和数字MEMS麦克风集成进系统设计时的差别和需要考虑的因素。

MEMS麦克风内部细节

MEMS麦克风输出并不是直接来自MEMS换能单元。换能器实质上是一个可变电容,并且具有特别高的兆欧级输出阻抗。

在麦克风封装中,换能器信号先被送往前置放大器,而这个放大器的首要功能是阻抗变换,当麦克风接进音频信号链时将输出阻抗降低到更合适的值。麦克风的输出电路也是在这个前置放大电路中实现的。

对于模拟MEMS麦克风来说,图1所示的这种电路基本上是一个具有特殊输出阻抗的放大器。在数字MEMS麦克风中,这个放大器与模数转换器(ADC)集成在一起,以脉冲密度调制(PDM)或I2S格式提供数字输出。

典型的模拟MEMS麦克风框图(电子工程专辑)
图1:典型的模拟MEMS麦克风框图。

图2是PDM输出MEMS麦克风的功能框图,图3是典型的I2S输出数字麦克风。I2S麦克风包含PDM麦克风中的所有数字电路,还包含抽取滤波器和串口。

典型的PDM MEMS麦克风框图(电子工程专辑)
图2:典型的PDM MEMS麦克风框图。

典型的I2S MEMS麦克风框图(电子工程专辑)
图3:典型的I2S MEMS麦克风框图。

MEMS麦克风封装在半导体器件中比较独特,因为在封装中有一个洞,用于声学能量抵达换能单元。在这个封装内部,MEMS麦克风换能器和模拟或数字ASIC绑定在一起,并安装在一个公共的叠层上。然后在叠层上方又绑定一个盖子,用于封住换能器和ASIC。这种叠层通常是一小块PCB,用于将IC出来的信号连接到麦克风封装外部的引脚上。

图4和图5分别显示了模拟和数字MEMS麦克风的内部细节。在这些图片中,你可以看到左边的换能器和右边的ASIC(在环氧树脂底下),两者都安装在叠层上。数字麦克风有额外的绑定线将来自ASIC的电气信号连接到叠层。

模拟MEMS麦克风中的换能器和ASIC(电子工程专辑)
图4:模拟MEMS麦克风中的换能器和ASIC。

数字MEMS麦克风中的换能器和ASIC(电子工程专辑)
图5:数字MEMS麦克风中的换能器和ASIC。


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