秩名 發表於 2014-01-14 09:14:49
近年來隨著麥克風技術及小信號模數轉換技術的發展，使駐極體電容式麥克風（ECM）可以增加數字音頻輸出，從而為麥克風這種電子產品的應用開創了一個新的局面。一直以來，ECM麥克風廠商都在致力於提高產品的敏感度，信噪比和回流焊接等性能，麥克風模數轉換晶片，尤其是應用於微機電系統（MEMS）麥克風的轉換晶片的推出正在極大整體提高上述麥克風性能。
隨著飛兆半導體等一大批知名半導體公司的加入及推出ECM和MEMS麥克風模數轉換晶片，令過去數十年來普遍採用的結型場效應電晶體（JFET）逐漸被淘汰，也令這個市場出現結構上的轉變，為麥克風添加數字輸出功能將會是放大器技術的目前的重要發展，這種新技術適用於行動電話、筆記型電腦以及其他可攜式麥克風應用設備。
MEMS麥克風是通過微機電技術在半導體上蝕刻壓力感測膜片而製成的微型麥克風，隨著MEMS產品愈來愈便宜，且數量不斷增加，以及矽晶麥克風在外形尺寸、可擴展性和聲音品質等方面也大大超過傳統麥克風。與此同時，在噪音消除、波束成形等應用方面，MEMS也具有可簡化設計的特性，預計全球MEMS麥克風將保持平均25%以上的年成長率，到2013年可達11億支的年出貨規模。這也意味著數字麥克風轉換晶片市場將有年超過一億美金的規模。
基於此，飛兆半導體作為模擬技術行業領導者正在推出高性能的ECM麥克風數字轉換晶片及正在戰略進入完整MEMS數字麥克風方案及噪音消除系統領域。
正因為這個行業如此重要及充滿希望，為了幫助讀者加深技術認識、提高產品應用能力及加強對飛兆半導體產品的印象，作者基於我們麥克風產品參數對大家做個基本介紹。
數字麥克風的基本架構是以駐極體隔膜或MEMS基礎來構成聲壓到電壓的轉換部分，然後內部集成極低噪聲的電壓信號運算放大器，高性能Σ·Δ模擬到數字的轉換器以及基於脈衝密度調製輸出的數字接口，並支持立體聲或者時分復用。
當然，更重要的是數字麥克風產品需要滿足苛刻的性能指標，飛兆半導體以向產業界提供高性能模擬產品為己任，並正在提供如下優異的產品指標：
輸入聲壓級94dBSPL即–26dBFS時，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94dBSPL即–26dBFS時，總諧波失真（THD）《0.04%.
在不影響總諧波失真（THD）的情況下，設計最大輸入信號為：710mVP-P.
針對聲電轉換敏感度-42到-38dBV/Pa的麥克風增益12，14，16dB可選。
晶片工作電流≤450μA.
下面作者就麥克風產品中上述部分參數進行闡述，在聲學設備應用中，我們引入了聲壓級（SPL:soundpressurelevel）這個氣壓相對參數來表徵聲音的大小，聲壓Lp是以20微帕斯卡（μPascal）為基準來表徵聲音壓強大小的對數結果。
因此，1帕斯卡大小有效聲壓對應的聲壓級就是大約94dBSPL.
即Lp（1Pascal）=20log10（1Pa/20μPa）=93.97dB（SPL）≈94dB（SPL）。
然後，我們知道典型的ECM麥克風的靈敏度是-42到-38dBV/Pa，也就是說通常麥克風拾音前端接收到1帕斯卡的音壓會產生-42到-38dBV的平均電壓波動輸出到放大前端，dBV為即以1Vrms（有效電壓或說電壓均方根值）做為基準來表徵麥克風轉化得到的電壓輸入大小。所以，-42dBV=7.9mVRMS=22.4mVP-P，由此，120dBSPL
聲壓被麥克風前端吸收將會產生120dBSPL–94dBPa/SPL–42dBV/Pa=-16dBV電壓或者說158.5mVRMS，同時，我們在麥克風指標中也提到了dBFS，所謂dBFS就是ADC輸入電壓相對ADC參考電壓的對數表示即：20×log10（VIN×AV/VREF）=dBFS，我們稱之為分數全刻度（FractionalFullScale），通常我們把麥克風前端聲壓輸入為120dBSPL時對應設置Av（放大器增益）和VREF來使VIN×AV/VREF=1，當然這些Av和VREF一般來說已經在晶片內部配置完成，所以，對於此給定設置的晶片，0dBFS對應120dBSPL，-26dBFS也就對應94dBSPL了。最後，我們來談談信噪比和噪聲的計算，信噪比通常用dBc或者dB來表示，c代表載波（carrier），所以一般表徵以噪聲為基準的信號對數強度時候我們可用dBc，上文提及產品輸入聲壓級94dBSPL即–26dBFS時，信噪比為62dBc（A），也就是說120dBSPL即0dBFS時，信噪比為88dBc（A），32dBSPL即–88dBFS時，信噪比（SNR）為0dBc即有效信號與噪聲強度完全相等，所以產品系統底噪（NoiseFloor）=32dB（SPL），對應噪聲電壓=32dBSPL–94dBPA/SPL–42dBV/Pa=-104dBV=6.3μVRMS。同時也可知本數字麥克風晶片的輸入動態範圍為32-120dB（SPL）。
總的來說，通過對本文的理解，讀者可以了解到，為滿足用戶對在行動裝置上獲得更好的聽覺體驗的廣泛需求，新的高性能數字麥克風正在有助於目標應用大幅提升音質，甚至提供噪聲確定和過濾等更多功能，譬如整合多個數字麥克風來實現噪聲抑制和方向性拾聲。隨著可攜式設備在大噪聲的環境中的使用率不斷提高以及提升手機通話以及多方通話的音質的迫切需求，數字麥克風必將全面盛行。
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