-MEMS麦克风成为消费者市场主流产品的选择

麦克风是一个已经内置在很多电子产品中的标准仪器,从可穿戴设备到家庭助理,越来越多的设备需要“听到”他们的环境,并相应地做出反应。本文概述了麦克风类型和基本原则,以及CUI设备微电子机械系统(MEMS)麦克风的产品功能。

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ECM和MEMS麦克风的技术差异

随着麦克风应用的增加,对麦克风的灵敏度和体积的要求也越来越高。目前,制造麦克风最常用的两种技术是MEMS和驻极体电容器。介绍了MEMS和驻极体电容麦克风(ECM)的基本知识,比较了技术之间的差异,简要介绍了每种解决方案的优点。

MEMS麦克风由置于印刷电路板(PCB)上并由机盖保护的MEMS部件组成。在外壳上创建一个小孔,使声音能够进入麦克风;如果孔在顶盖上,则指定为顶部端口。如果孔在PCB中,则指定为底部端口。MEMS组件通常设计成在半导体芯片上制作的机械膜片和安装结构。

MEMS隔膜形成电容器,声压波产生隔膜的运动。MEMS麦克风通常包含第二个半导体芯片,该芯片用作将MEMS的变化电容转换为电信号的音频前置放大器。如果需要模拟输出信号,则向用户提供音频前置放大器的输出。如果需要数字输出信号,则在与音频前置放大器相同的芯片上包括模拟-数字转换器(ADC)。MEMS麦克风使用的数字编码通常是脉冲密度调制(PDM)格式,只能与时钟和单根数据线通信。数据的单比特编码简化了接收器的数字信号解码。数字IS输出是第三个选项,包括可以在麦克风本身完成处理的内部提取过滤器。这意味着麦克风可以直接连接到数字信号处理器(DSP)或微控制器,因此许多应用程序不需要ADC或编解码器。

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ECM包括靠近导电板的分离(具有固定表面电荷的材料),该导电板与MEMS麦克风一样,形成用作电介质的电容器(具有固定表面电荷的材料)。由于声压波移动了主极体膜片,电容器两端的电压随电容器值的变化而变化,电容器电压的变化被麦克风外壳内部的JFET放大和缓冲。JFET通常配置为公共源配置,外部应用电路使用外部负载电阻和直线电容器。

ECM和MEMS麦克风各有优点

在ECM和MEMS麦克风之间进行选择时,需要考虑多种因素。MEMS由于这项新技术提供的诸多优点,MEMS麦克风的市长/市场份额持续快速增长。例如,空间有限的应用程序对MEMS麦克风的小包装大小很有吸引力,而MEMS麦克风结构包含模拟和数字电路,从而降低PCB面积和组件成本。模拟MEMS麦克风的输出阻抗相对较低,数字MEMS麦克风的输出适合在电噪声环境中使用。在高振动环境中,可以使用MEMS麦克风技术来降低机械振动引起的不必要的噪音水平。此外,还增加了半导体制造技术和音频前置放大器,使MEMS麦克风具有密切匹配的温度稳定性性能特性。这些严格的性能特性在MEMS麦克风用于阵列应用程序时特别有用。MEMS麦克风在产品制造过程中可以通过拾音器轻松处理,并能承受逆流焊接温度曲线。

MEMS麦克风正在迅速普及,但一些应用程序可能更喜欢ECM。许多现有设计使用ECM,因此,如果项目是对现有设计的简单升级,建议继续使用ECM。将ECM连接到应用电路的选项包括针脚、电线、SMT、衬垫和弹簧触点,为工程师提供了额外的设计灵活性。如果灰尘和湿气是问题,物理大小很大,因此很容易找到高保护级别(IP)的ECM产品。对于需要不均匀空间敏感度的项目,ECM产品提供具有内在方向性的单向或噪声消除,而ECM较大的工作电压范围可能是松散调整的电压导轨产品的首选解决方案。

PDM和is协议的特性各不相同

MEMS麦克风的一个主要优点是,除了大幅减少的空间占用空间、降低的电源要求和增加的电气噪声抑制外,还增加了输出选项,为设计师和工程师提供了更大的灵活性。模拟选项仍然可用,但两个常用的输出选项是PDM和IS的数字协议。这些接口具有独特的特征,包括音频质量级别、功耗级别、BOM成本、必须遵守设计的空间限制以及部署硬件的操作环境。

PDM用于将模拟信号电压转换为单位脉冲密度调制数字流。与音频相关的常规横波相比,PDM信号看起来更像纵波,但它是模拟信号的数字表示。该信号具有数字信号的诸多优点,与模拟信号直接相关。创建此PDM信号通常需要高于3MHz的采样率(高于3 MHz的速率)。因为它必须比数字脉冲表示的模拟信号的振动频率高几倍。

由于信号的数字特性,PDM比模拟信号更能适应电噪声环境,信号劣化后,误差容差更高。高频信号实际上会产生距离限制。这是因为长传输线的电容增加,可能会导致不必要的衰减,音频质量也会下降。此外,必须在具有适当编解码器的外部DSP或微控制器上进一步处理PDM信号,以便通过低通滤波器运行PDM信号,以低采样率提取或缩减采样,以便在其他设备上使用。

与PDM不同,IS是完全数字信号,不需要编码或解码,通常没有必要的数据传输速率,但最低速度取决于传输的数据和精度。如果音频采样率是44.1 kHz的行业标准,精度为8位,则单声道至少需要352.8 kHz的时钟速率。立体声应用程序是705.6 kHz的两倍,如果精度发生变化,最小传输带宽也会发生变化。

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PDM可以提供更好的噪声预防和错误容差,使许多优先考虑音频质量的应用程序具有吸引力。相比之下,IS易于安装、减少总占地面积、减少组件数量,如果产品大小或价格标签被证明是主要关注的问题,则具有优势。另外,需要注意的是,IS接口在更长的距离内提供了更好的信号完整性,因此麦克风和处理电路也适用于电路板上不能彼此靠近的情况。

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提供多种MEMS麦克风选项

MEMS麦克风在现代电子设计中很常见,配备最佳接口很重要。在决定优化特定应用程序场景的界面时,需要考虑很多因素。由于其独特的抗噪声功能,PDM成为要求苛刻的应用环境的理想选择。另一方面,IS允许将输入直接连接到嵌入的DSP或其他处理器/控制器设备,而不需要额外的复杂性。

CUI Devices拥有广泛的MEMS麦克风产品组合,可满足多种音频系统需求。除模拟接口设备外,还包括多种PDM和IS数字接口麦克风。CUI Devices的MEMS麦克风体积小、薄(小于2.75 x 1.85 x 0.90毫米),可为用户提供更好的音频质量和性能。这些MEMS麦克风的灵敏度级别从-42 dB到-26 dB,信噪比从57 dBA到65 dBA,灵敏度容差低于1DB,非常适合便携式消费电子应用程序。CUI Devices还提供了包含4个独立麦克风评估电路的MEMS麦克风开发套件,使原型设计和设计测试更加容易。

CUI Devices的MEMS麦克风包括上下端口版本、模拟和数字选项、-42 dB至-26 dB的灵敏度级别、电流消耗80a以下,使您能够找到最适合客户需求的MEMS麦克风。

https://www . arrow . com/zh-cn/manufacturers/Cui-devices/audio-components/microphones?promogrouplevel=main filters=technology:MEMS。

结语

MEMS麦克风体积小、耐噪音,是许多消费者应用程序的首选,CUI Devices提供了灵敏度、界面等多种产品类型,并提供了完整的设计资源,使客户能够快速开发相应的产品。

-MEMS麦克风成为消费者市场主流产品的选择

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