關於數字 MEMS 麥克風,你了解多少?

2020-12-20 慧聰音響燈光網

數字 MEMS(MicroElectroMechanical System 微型機電系統)麥克風在各類消費設備,機動車輛和工業應用中廣泛使用。一支 MEMS 麥克風的聲學傳感器和數模轉換器集成在一塊矽片上。只佔用 PCB(印刷電路板)上很小的空間,讓麥克風可以和信號處理器直接相連。

六支 MEMS 麥克風組成的陣列

由於語音識別類應用的高速增長,數字 MEMS 麥克風通常以陣列的形式出現。為了確保完美無瑕的運行,麥克風的絕對技術指標,以及更重要的,陣列中所有麥克風相互協同的性能都必須嚴格測試。

數字 MEMS 麥克風特性

主流 MEMS 麥克風輸出 1/2 周期的 PDM(脈衝密度調製)數位訊號。麥克風需要一個時鐘輸入(CLK),並通過 DATA 接口輸出數據。此外,兩支麥克風共用一條數據線。因此,它們分別配置為「左(L)」或「右(R)」麥克風。只需將 L/R 輸入接 Vdd 或地即可實現。MEMS 麥克風供電大多為 1.8 V 或 3.3 V。

實際運行時,「左」麥克風會在時鐘信號的每個上升沿寫下一個字節,「右」麥克風則在下降沿。當一支麥克風寫數據時,另一支麥克風會將數據輸出端置於高阻抗模式。在接收信號的信號處理器中(DSP),左右兩個信號再被一起灌入兩個信號流中。

兩支數字 MEMS 麥克風工作示意

如果兩支麥克風中的一支沒有安裝或丟失了呢?

只有一支 MEMS 麥克風正常工作示意

示例中,右麥克風丟失,因此只剩左麥克風在寫入數據。在信號下降沿,左麥克風將其數據埠置於高阻抗狀態。數據鏈仍保持之前的狀態,這樣,對於數據接收端的 DSP 來說,右麥克風傳來的信號和左麥克風完全相同。兩條數據流是一樣的!測試系統必須能識別這一問題,測試電路板上的 MEMS 麥克風陣列時,檢測麥克風丟失是最基本的。

控制數字 MEMS 麥克風的時鐘頻率從幾百 kHz 到 3 MHz 不等。頻率越低,功率越小,音質也更差。

為了確保數位訊號的完整,數字 MEMS 麥克風和音頻測試系統間的距離越短越好。這類麥克風不適合連接過長且電容過高的纜線。

測什麼?

要測試數字 MEMS 麥克風的聲學參數,數位訊號需要接入音頻分析儀,或轉換為其它格式,比如模擬信號。品質控制測試中涉及的參數和其它大多數麥克風基本一致,如靈敏度,頻率響應,失真,信噪比(SNR)等。實驗室環境下完整的測試內容有 EIN(等效輸入噪聲),PSR(電源抑制),PSRR(電源抑制比)和動態範圍等。此外,還可以通過轉臺測試麥克風在不同頻率下的指向性。

麥克風極性圖

對於所有的絕對測量(單位不是 % 或 dB),數字 MEMS 麥克風測量結果的單位不同於模擬麥克風。比如模擬麥克風的靈敏度單位是 mV/Pa 或 dBV/Pa,而數字麥克風的單位則為 dBFs,它表示「滿刻度分貝」,描述的是 94 dBSPL(1 Pa)到被測麥克風最大數字輸出間的餘量。這個最大輸出也是 AOP(聲學過載點)。

聲學 vs. 數字 vs. 模擬

測試單支 MEMS 麥克風的情況其實非常少見。多數情況下,測試的都是集成在電路板上的多支 MEMS 麥克風。要確定該電路板的性能,必須弄清所有 MEMS 麥克風之間的相對性能。一個典型的參數是「靈敏度跨度」,也就是 MEMS 麥克風中最大靈敏度和最小靈敏度的差值。

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