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数字麦克风及阵列拾音技术的应用 随着数字信号处理技术的发展，使用数字音频技术的电子产品越来越多。数字音频接 口成为发展的潮流，采用脉冲密度调制（PDM）接口的 ECM 和 MEMS 数字麦克风也 孕育而生。目前，ECM 和 MEMS 数字麦克风已经成为便携式笔记本电脑拾音设备的主 流。 数字 ECM 或 MEMS 麦克风和传统的 ECM 麦克风相比，有着不可取代的优势。 首先，移动设备向小型化数字化发展，急需数字拾音器件和技术；第二，设备包含 的功能单元越来越多，如笔记本电脑，集成了蓝牙和WiFi 无线功能，麦克风距离这 些干扰源很近，设备对抗扰要求越来越高；第三，三网合一的发展，需要上网，视 频和语音通信可以同时进行，这在移动设备中通常会遇到环境噪声和回声的影响； 第四，从提高生产效率角度，希望对麦克风采用 SMT 焊接。数字麦克风适合 SMT 焊接，可以解决系统各种射频干扰对语音通信产生的噪声，富迪科技的数字阵列麦 克风拾音技术可以抑制和消除通话时的回声和环境噪声，数字接口方便同数字系统 的连接。 模拟麦克风和数字麦克风 麦克风结构：ECM 模拟麦克风通常是由振膜，背极板，结型场效应管（JFET ） 和屏蔽外壳组成。振膜是涂有金属的薄膜。背极板由驻极体材料做成，经过高压极 化以后带有电荷，两者形成平板电容。当声音引起振膜振动，使两者距离产生变化， 从而引起电压的变化，完成声电转换。利用结型场效应管用来阻抗变换和放大信号， 有些高灵敏度麦克风采用运放来提高麦克风灵敏度（见图 1a）。ECM 数字麦克风 通常是由振膜，背极板，数字麦克风芯片和屏蔽外壳组成，数字麦克风芯片主要由 缓冲级，放大级，低通滤波器，抗模数转换组成。缓冲级完成阻抗变换，放大级放 大信号，低通滤波滤除高频信号，防止模数转换时产生混叠，模数转换将放大的模 拟信号转换成脉冲密度调制 （PDM）信号，通常采用过采样的 1 位 ∆-Σ模数转换 （见 图 1b）。MEMS 模拟麦克风主要由 MEMS 传感器，充电泵，缓冲放大器，屏蔽外 壳组成。参照图 1c， MEMS 传感器由半导体工艺制成的振膜，背极板和支架构成， 通过充电泵给背极板加上适当的极化偏压。缓冲放大器完成阻抗变换，放大信号。 MEMS 数字麦克风主要由 MEMS 传感器，充电泵，数字麦克风芯片和屏蔽外壳组成， 参照图 1d。为了提高麦克风抗干扰能力，麦克风内部电源和地之间都增加了小的滤 波电容，通常是 10pF 和 33pF 并联。 图 1a ECM 模拟麦克风 1b ECM 数字麦克风 图 1c MEMS 模拟麦克风 图 1d MEMS 数字麦克风 麦克风偏置电路：通过手机中麦克风电路的典型应用，比较一下 ECM 模拟麦克 风，MEMS 模拟麦克风和数字麦克风的差异。图 2a 为 ECM 模拟麦克风的偏置电 路。为了减小干扰，手机中的麦克风电路采用差分输出。麦克风电源经过 R5 电阻 C9 电容滤波以后，通过 R6 供给麦克风内部的场效应管，由 R6、R9 差分组成差 分输出电路。C15 和 R6、R9 以及麦克风的输出阻抗组成低通滤波器，用来滤除 超过语音频段的高频信号，防止后级电路模数装换时产生混叠。C13、C17 隔离 直流偏置，R7、R8 用来防止电容对芯片输入端的放电冲击。其余的 33pF 电容用 来滤除射频干扰。麦克风输出到基带芯片的模拟输入端采用差分布线，减少噪声 和射频干扰（见图 2b ）。MEMS 麦克风的偏置电路。麦克风电源经过 R1 电阻C2 电容滤波以后，供给 MEMS 麦克风内置的缓冲放大器和充电泵电路。MEMS 拾取 的声音信号转换成模拟电信号，经过缓冲放大后输出，经过 C5、R2、C6 组成的 π型滤波器滤波，伪差分电路布线到基带芯片。图 2c 为数字麦克风的偏置电路。 麦克风电源经过简单滤波以后供给麦克风。声音转换成模拟电信号经过内部缓冲 放大，在时钟信号（SCL ）的驱动，下最后模数转换成 1 位的 PDM 音频数据，从 数据引脚（DATA）输出。 图2a ECM 模拟麦克风电路 图2b MEMS 模拟麦克风电路 图2c ECM/MEMES