全面解析數(shù)字麥克風(fēng)技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

近年來隨著麥克風(fēng)技術(shù)及小信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，使駐極體電容式麥克風(fēng)(ECM)可以增加數(shù)字音頻輸出，從而為麥克風(fēng)這種電子產(chǎn)品的應(yīng)用開創(chuàng)了一個(gè)新的局面。一直以來，ECM麥克風(fēng)廠商都在致力于提高產(chǎn)品的敏感度，信噪比和回流焊接等性能，麥克風(fēng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，尤其是應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)的轉(zhuǎn)換芯片的推出正在極大整體提高上述麥克風(fēng)性能。

隨著飛兆半導(dǎo)體等一大批知名半導(dǎo)體公司的加入及推出ECM和MEMS麥克風(fēng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，令過去數(shù)十年來普遍采用的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)逐漸被淘汰，也令這個(gè)市場(chǎng)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)變，為麥克風(fēng)添加數(shù)字輸出功能將會(huì)是放大器技術(shù)的目前的重要發(fā)展，這種新技術(shù)適用于移動(dòng)電話、筆記型電腦以及其他便攜式麥克風(fēng)應(yīng)用設(shè)備。

MEMS麥克風(fēng)是通過微機(jī)電技術(shù)在半導(dǎo)體上蝕刻壓力感測(cè)膜片而制成的微型麥克風(fēng)，隨著MEMS產(chǎn)品愈來愈便宜，且數(shù)量不斷增加，以及硅晶麥克風(fēng)在外形尺寸、可擴(kuò)展性和聲音品質(zhì)等方面也大大超過傳統(tǒng)麥克風(fēng)。與此同時(shí)，在噪音消除、波束成形等應(yīng)用方面，MEMS也具有可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的特性，預(yù)計(jì)全球MEMS麥克風(fēng)將保持平均25%以上的年成長(zhǎng)率，到2013年可達(dá)11億支的年出貨規(guī)模。這也意味著數(shù)字麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換芯片市場(chǎng)將有年超過一億美金的規(guī)模。

基于此，飛兆半導(dǎo)體作為模擬技術(shù)行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者正在推出高性能的ECM麥克風(fēng)數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片及正在戰(zhàn)略進(jìn)入完整MEMS數(shù)字麥克風(fēng)方案及噪音消除系統(tǒng)領(lǐng)域。

正因?yàn)檫@個(gè)行業(yè)如此重要及充滿希望，為了幫助讀者加深技術(shù)認(rèn)識(shí)、提高產(chǎn)品應(yīng)用能力及加強(qiáng)對(duì)飛兆半導(dǎo)體產(chǎn)品的印象，作者基于我們麥克風(fēng)產(chǎn)品參數(shù)對(duì)大家做個(gè)基本介紹。

數(shù)字麥克風(fēng)的基本架構(gòu)是以駐極體隔膜或MEMS基礎(chǔ)來構(gòu)成聲壓到電壓的轉(zhuǎn)換部分，然后內(nèi)部集成極低噪聲的電壓信號(hào)運(yùn)算放大器，高性能Σ·Δ模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換器以及基于脈沖密度調(diào)制輸出的數(shù)字接口，并支持立體聲或者時(shí)分復(fù)用。

當(dāng)然，更重要的是數(shù)字麥克風(fēng)產(chǎn)品需要滿足苛刻的性能指標(biāo)，飛兆半導(dǎo)體以向產(chǎn)業(yè)界提供高性能模擬產(chǎn)品為己任，并正在提供如下優(yōu)異的產(chǎn)品指標(biāo)：

輸入聲壓級(jí)94dBSPL即–26dBFS時(shí)，信噪比(SNR)為60-62dBc(A)。

PGA+ADC綜合底噪為6.3μVRMS，單純PGA底噪為3.2μVRMS.

輸入聲壓級(jí)94dBSPL即–26dBFS時(shí)，總諧波失真(THD)《0.04%.

在不影響總諧波失真(THD)的情況下，設(shè)計(jì)最大輸入信號(hào)為：710mVP-P.

針對(duì)聲電轉(zhuǎn)換敏感度-42到-38dBV/Pa的麥克風(fēng)增益12，14，16dB可選。

芯片工作電流≤450μA.

下面作者就麥克風(fēng)產(chǎn)品中上述部分參數(shù)進(jìn)行闡述，在聲學(xué)設(shè)備應(yīng)用中，我們引入了聲壓級(jí)(SPL:soundpressurelevel)這個(gè)氣壓相對(duì)參數(shù)來表征聲音的大小，聲壓Lp是以20微帕斯卡(μPascal)為基準(zhǔn)來表征聲音壓強(qiáng)大小的對(duì)數(shù)結(jié)果。

因此，1帕斯卡大小有效聲壓對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)就是大約94dBSPL.

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

然后，我們知道典型的ECM麥克風(fēng)的靈敏度是-42到-38dBV/Pa，也就是說通常麥克風(fēng)拾音前端接收到1帕斯卡的音壓會(huì)產(chǎn)生-42到-38dBV的平均電壓波動(dòng)輸出到放大前端，dBV為即以1Vrms(有效電壓或說電壓均方根值)做為基準(zhǔn)來表征麥克風(fēng)轉(zhuǎn)化得到的電壓輸入大小。所以，-42dBV=7.9mVRMS=22.4mVP-P，由此，120dBSPL

聲壓被麥克風(fēng)前端吸收將會(huì)產(chǎn)生120dBSPL–94dBPa/SPL–42dBV/Pa=-16dBV電壓或者說158.5mVRMS，同時(shí)，我們?cè)邴溈孙L(fēng)指標(biāo)中也提到了dBFS，所謂dBFS就是ADC輸入電壓相對(duì)ADC參考電壓的對(duì)數(shù)表示即：20×log10(VIN×AV/VREF)=dBFS，我們稱之為分?jǐn)?shù)全刻度(FractionalFullScale)，通常我們把麥克風(fēng)前端聲壓輸入為120dBSPL時(shí)對(duì)應(yīng)設(shè)置Av(放大器增益)和VREF來使VIN×AV/VREF=1，當(dāng)然這些Av和VREF一般來說已經(jīng)在芯片內(nèi)部配置完成，所以，對(duì)于此給定設(shè)置的芯片，0dBFS對(duì)應(yīng)120dBSPL，-26dBFS也就對(duì)應(yīng)94dBSPL了。最后，我們來談?wù)勑旁氡群驮肼暤挠?jì)算，信噪比通常用dBc或者dB來表示，c代表載波(carrier)，所以一般表征以噪聲為基準(zhǔn)的信號(hào)對(duì)數(shù)強(qiáng)度時(shí)候我們可用dBc，上文提及產(chǎn)品輸入聲壓級(jí)94dBSPL即–26dBFS時(shí)，信噪比為62dBc(A)，也就是說120dBSPL即0dBFS時(shí)，信噪比為88dBc(A)，32dBSPL即–88dBFS時(shí)，信噪比(SNR)為0dBc即有效信號(hào)與噪聲強(qiáng)度完全相等，所以產(chǎn)品系統(tǒng)底噪(NoiseFloor)=32dB(SPL)，對(duì)應(yīng)噪聲電壓=32dBSPL–94dBPA/SPL–42dBV/Pa=-104dBV=6.3μVRMS。同時(shí)也可知本數(shù)字麥克風(fēng)芯片的輸入動(dòng)態(tài)范圍為32-120dB(SPL)。

總的來說，通過對(duì)本文的理解，讀者可以了解到，為滿足用戶對(duì)在移動(dòng)設(shè)備上獲得更好的聽覺體驗(yàn)的廣泛需求，新的高性能數(shù)字麥克風(fēng)正在有助于目標(biāo)應(yīng)用大幅提升音質(zhì)，甚至提供噪聲確定和過濾等更多功能，譬如整合多個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)來實(shí)現(xiàn)噪聲抑制和方向性拾聲。隨著便攜式設(shè)備在大噪聲的環(huán)境中的使用率不斷提高以及提升手機(jī)通話以及多方通話的音質(zhì)的迫切需求，數(shù)字麥克風(fēng)必將全面盛行。