本文张权：QQ：272261417  电话：13723786618    邮箱：002@angerei.com为大家介绍几种麦克风的设计方案，仅供参考。

　　TOP1 电容式MEMS麦克风读出电路设计

　　1引言

　　与传统的驻极体电容式麦克风相比，电容式MEMS麦克风具有以下优势：1）性能稳定，温度系数低，受湿度和机械振动的影响小；2）成本低廉；3）体积小巧，电容式MEMS麦克风的背极板和振膜仅有最小的驻极体电容式麦克风的1/10左右；4）功耗更低。以上几方面的优势使电容式MEMS麦克风得到越来越广泛的应用。

　　然而，电容式MEMS麦克风也给设计人员提出了挑战：1）麦克风在声压作用下产生的小信号幅度非常微小，要求读出电路的噪声极低；2）电容式MEMS麦克风的静态电容是pF量级，读出电路需要GΩ量级的输入电阻才能实现极点频率低于20Hz的高通滤波器，因此，高阻值电阻的实现是读出电路的又一挑战；3）电容式MEMS麦克风通常应用于电池供电的产品，因此低功耗设计也是读出电路设计时必须考虑的约束。

　　基于以上考虑，在分析电容式MEMS麦克风工作原理的基础上，提出了一种低功耗、低噪声、高分辨率的电容式MEMS麦克风读出电路。

　　2电容式MEMS麦克风

　　2.1工作原理

　　电容式MEMS麦克风的主要结构包括一个薄而有弹性的声学振膜及一个刚性的背极板。振膜、背极板以及它们之间的空气隙共同组成一个平行板电容器，故有：

　　V=Q/C，C=εS/x （1）

　　式中，C为电容量，S为极板的面积，Q是极板间的电压为V时存储的电荷量，ε是极板间介质（空气）的介电常数，x为两极板间的距离。当dP大小的声压变化作用于振膜时，将引起两极板间的电压变化：

　　因为dx∝dP，所以输出电压dV∝dP.这就是电容式MEMS麦克风的声电转换工作原理。

　　这一原理成立的条件是：在声电转换过程中，必需保持麦克风电容所储电荷量Q不变，因此需要外加一个稳定的直流电压给电容充电，使之保持恒定的充电状态。这一功能由电荷泵来实现。

　　2.2麦克风读出电路结构

　　电容式MEMS麦克风及其读出电路组成的系统如图1所示。

　　图1麦克风及其读出电路结构

　　电荷泵为麦克风提供稳定的直流电压，以保持麦克风电容所储电荷量不变。在此基础上，声压作用于振膜时，将引起麦克风两极板间电压的变化，这个音频范围内的电压小信号Vmic通过麦克风电容Cmic和读出电路的高阻值输入电阻组成的高通滤波器读出。

　　需要特别指出，背靠背的二极管有三个作用：1）提供高阻值输入电阻，与麦克风电容一起实现低极点频率的高通滤波器，进而实现麦克风小信号的读出；2）为单位增益缓冲器提供直流偏置电压；3）起静电保护作用，在读出电路遭受静电袭击时为其提供低阻直流通路。单位增益缓冲器的作用一是屏蔽麦克风与后续信号处理电路，避免两者之间相互影响，二是提高读出电路的驱动能力。

　　3读出电路设计

　　3.1低极点频率高通滤波器

　　背靠背二极管的实际电路如图2所示。背靠背二极管可实现虚拟电阻。二极管连接的PMOS管Ma，Mb的衬底与栅极相接，这种连接方式不会产生寄生三极管，可以保证两个二极管串始终只有一组导通（饱和导通或亚阈值导通）。在正常工作状态下，Ma1，Ma2亚阈值导通。仿真结果表明，当节点IN与节点A之间的电压差绝对值小于0.2V时，背靠背二极管可以实现GΩ量级的电阻，如图3所示。

　　图2背靠背二极管的电路

　　图3背靠背二极管的电阻-电压特性

　　背靠背二极管还可以为单位增益缓冲器提供直流偏置电压。电流源Ib的电流流过电阻Rb，从而在节点A形成固定的电压，单位增益缓冲器的输入直流偏置也就被固定于IbRb.

　　背靠背二极管具有ESD保护作用，在读出电路遭受静电袭击时为其提供低阻直流通路。需要注意的是，因为读出电路对输入阻抗要求很高，所以在设计中使用了 ESD保护电路与读出电路内部功能性电路复用的电路，这样可以避免在设计完功能性电路后再加上ESD保护电路而对电路性能产生重大影响。

　　3.2低噪声低功耗单位增益缓冲器

　　较之开环运算放大器，使用单位增益缓冲器可得到比开环运放更大的输入阻抗和更小的输出阻抗，从而可以更好地屏蔽麦克风与后续信号处理电路，以避免两者之间的相互影响；同时，还可以更容易地驱动后续信号处理电路。

　　只需将运算放大器输出端与反相输入端短接，即可实现单位增益缓冲器，如图4所示。与套筒式结构相比，使用折叠结构的运算放大器最大的优点在于易于使运放的输出与输入短接，共模电平的选取也更加容易。

　　图4运算放大器

　　输入管使用尺寸较大的PMOS管，其原因主要有两个：一是与NMOS管相比，PMOS管的1/f噪声更小；二是输入管直流偏置点可以设置得更低，从而使电荷泵输出电压大部分降落在麦克风上。

　　采用不对称的输入管，反相输入管尺寸更大，其优点在于可以消除输入失调电压的影响，提高分辨率。假如设置运放反相输入端的直流偏压比正相输入端高 50mV，那么，当麦克风小信号的幅值小于50mV时，读出电路分辨率将不受失调电压的影响。而且，反相输入管面积越大，闪烁噪声越小，进而减小了单位增益缓冲器的等效输入噪声。

　　工作在饱和区的MOS管的跨导与其漏极电流的平方根成正比。但是，工作在亚阈值区的MOS管的跨导与其漏极电流成正比。所以，为了在降低噪声和功耗的同时保持运放的开环增益，设计中采用工作在亚阈值区的输入管。忽略运放第二级对输入噪声的影响，音频范围内二级运放的等效输入噪声电压为：

　　（3）式主要考虑了闪烁噪声的影响。从（3）式可以看出，增大M1~M6的尺寸可以增大M1和M2的跨导，减小M3~M6的跨导可以减小闪烁噪声。需要说明的是，在设计低功耗的二级运放时，为了降低功耗，可以让运放中的一些管子工作在亚阈值区，但这是以增大管子面积、降低运放速度为代价的。在电路设计过程中，往往需要考虑多方面的因素来进行折中优化设计。

　　4电路仿真结果与分析

　　基于X-FAB 0.35μm CMOS工艺，使用Cadence软件，对MEMS麦克风读出电路进行仿真。设电荷泵输出电压为11V，麦克风静态电容为1pF，设定单位增益缓冲器输入直流电平为200mV，负载为100pF电容和100kΩ电阻的最差负载情况。输入管不对称的运放的性能参数如表1所示。

　　表1开环运算放大器的性能参数

　　电路仿真结果显示，电源电压在1.2~3.6V时，读出电路均可正常工作（当电源电压低于1.2V时，基准电流源无法正常工作，基准电流会迅速下降并趋于 0，此时，读出电路因得不到合适的偏置而无法正常工作；当电源电压高于3.6V时，超过了工艺耐压的极限，极有可能对芯片造成毁灭性的损坏）；读出电路静态电流小于60μA，在20Hz~20kHz的音频范围内，等效输入噪声为5.2μV，信号读出效率大于83.6%（-1.56dB）。

　　电源电压为1.2V时，读出电路的幅频响应曲线如图5所示，低频的极点频率为8.6Hz.

　　图5读出电路频率响应

　　由于运放失调电压的影响被不对称输入管消除，且电荷泵的等效输出噪声是nV量级（可以忽略不计），所以读出电路可以处理的小信号幅度范围是50μV~200mV.本文读出电路与文献［9］读出电路的各项性能比较结果如表2所示。

　　表2读出电路性能比较

　　5结论

　　设计了一种新颖的电容式MEMS麦克风读出电路，该电路包含低极点频率的高通滤波器和低噪声的单位增益缓冲器两个部分。采用二极管连接的MOS管实现了高阻值的输入电阻，与电容式MEMS麦克风的静态电容一起组成低极点频率的高通滤波器，可读出麦克风在声压作用下产生的小信号。另外，采用两种办法来提高读出电路的分辨率：一是运放采用不对称输入管来消除失调电压的影响，二是通过增大输入管的尺寸等方法来降低运放的输入噪声。在读出电路的设计中，为了降低读出电路的功耗，使用了工作在亚阈值区的MOS管。

　　本文提供的读出电路设计方案具有噪声小、可以处理的小信号幅度范围广、功耗低等特点，可延长电池供电的便携式设备的待机时间。

　　TOP2 利用MEMS麦克风阵列定位并识别音频或语音信源的技术方案

　　1.前言

　　自动语音识别、语音模式识别和说话人识别及确认等应用对噪声十分敏感，信源定位识别是音频和语音信号捕捉处理应用的一个关键的预处理功能。特别是基于微机电系统（MEMS） 的麦克风阵列出现后，麦克风阵列音频定位方案引起科研企业和开发人员的广泛关注。

　　目前业界正在使用MEMS麦克风阵列子系统开发嵌入式音频定位、自动语音识别和自动说话人识别解决方案，声音识别定位是我们识别确认他人身份的基本功能，当我们听到有人讲话时，会将头转向说话人，查看说话人。

　　音源定位是自动语音识别和自动说话人识别系统的一个重要环节，对于提高语音识别系统的性能至关重要。麦克风阵列可捕捉从不同方向传来的声音，通过算法运算使麦克风指向某一个特定方向，放大从该方向捕捉到的音频信号，同时衰减从其它方向捕捉的音频信号，整个动作就像一个智能麦克风。

　　图 1.综合利用麦克风音源互相关性（CC）、相变（PHAT）和最大相似性处理（ML）技术的音源定位

　　2.系统框架

　　整个系统由以下几个子系统组成：音源方向测定、数据融合、自动语音识别和自动说话人确认。其中，音频方向测定子系统基于麦克风阵列，运行三个不同的音频方向估算算法；数据融合子系统负责推断方向，自动语音识别子系统利用传入的音频信号增强主音源信号强度，衰减主音源周围的其它音频信号。最后，自动说话人确认子系统识别某些关键词汇，再利用相关特征与说话人匹配。

　　图 2. 系统框架

　　如果语音识别任务没有成功，则反馈给数据融合系统，估算新方向传入的语音，然后驱动麦克风阵列指向该方向。

　　2.1 语音识别和说话人识别

　　语音特征提取（27 LPC-倒普系数）需要确定语音的端点，将语音分成数个短祯（每祯20 ms），通过一个DTW模式对准算法与一组参考语音（模板）匹配。然后，应用欧氏距离测量法进行相似性评估。

　　图 3. 特征提取、模式匹配和评分是说话人语音识别确认任务的主要环节

　　说话人身份评分采用的是动态时间规整近邻（DTW-KNN）算法的距离测量方法，即动态时间规整测量算法与近邻决策算法的合并算法。这个算法需要使用均方根、过零率、自动相关和倒普线性预测系数。使用欧氏距离算法计算成本函数，使用KNN 算法计算最小距离匹配度 k。

　　3.MEMS麦克风阵列

　　我们采用STM32F4微控制器和MEMS麦克风开发一个硬件音频信号同步采集处理子系统，其信号捕捉能力相当于8个采样率高达48 KHz的麦克风 。

　　图 4. 采用STM32F4微控制器和MEMS麦克风的硬件音频信号同步采集处理子系统

　　3.1 MEMS技术

　　MEMS技术的主要特性是在能够同一芯片表面集成微电子和微机械单元，在同一封装内整合不同的功能。这样，过去分别由传感器、执行器（例如，射流管理或机械交互）和逻辑、控制单元完成的不同功能，今天可以整合在同一个封装内。从生化分析，到惯性系统，从机械传感器，到音频和声波传感器， MEMS产品覆盖很多应用领域。

　　3.2 MEMS麦克风和音频编码

　　MEMS麦克风尺寸虽然比其它技术麦克风小，但是，从物理和机械角度看，却具备标准驻极体麦克风的全部功能，其核心部件是一个振膜，振膜和固定框架共同组成一个可变电容器。当声波引起振膜变形时，电容会发生变化，从而导致电压变化。

　　被捕捉到的信号的后期处理，即功率放大和模数转换过程，都是在同一芯片上完成，因此，麦克风输出是高频PDM信号。在脉冲密度调制过程，逻辑1对应一个正 （+A） 脉冲，而逻辑0对应一个负（-A）脉冲。因此，假设输入一个周期的正弦音频，当输入电压在最大正振幅时，输出为一个由“1”组成的脉冲序列；当输入电压在最大负振幅时，输出则是一个由“0”组成的序列。当穿过0振幅时，声波在1和0序列之间快速变化。如果方法正确，PDM可通过数字方法给高品质音频编码，而且实现方法简易，成本低廉。因此，PDM比特流是MEMS麦克风常用的数据输出格式。

　　另一方面，PCM是一个非常著名的音频编码标准，以相同的间隔对信号振幅定期采样，在数字步进范围内，每个采样被量化至最接近值。决定比特流是否忠实原模拟信号的是PCM比特流的两个基本属性：采样率，即每秒采样次数；位宽，即每个采样包含的二进制数个数；通过降低采样率（降低十分之一）和提高字长，可以将PDM编码信号转成PCM信号，PDM数据速率与降低十分之一的PCM采样率的比值被称为降采样率。因此，对于N:1降采样率，只要每N个间隔采样一次 （不考虑剩余的N-1），即可完成降低十分之一的采样过程。

　　3.3 麦克风阵列

　　从硬件角度看，这款产品基于STM32F407VGT6高性能微控制器，能够通过8个MEMS麦克风采集信号。STM32F4微控制器基于工作频率最高 168 MHz的高性能ARM? Cortex-M4 32 RISC处理器内核，集成高速嵌入式存储器（闪存容量最高1 MB， SRAM容量最高192KB）以及标准和先进的通信接口，例如，I2S全双工接口、SPI、 USB FS/HS和以太网。

　　STM32 F4系列是意法半导体首批基于支持FPv4-SP 浮点扩展运算的ARM Cortex-M4F内核的STM32微控制器，这使得该器件适用于重负荷算法，浮点单元完全支持单精度加法、减法、乘法、除法和累加以及均方根运算，还提供定点和浮点数据格式转换和浮点常数指令，完全兼容ANSI/IEEE Std 754-1985二进制浮点算术标准。为提高ARM架构的数字信号处理和多媒体应用性能，指令集还增加了DSP指令集。新指令是数字信号处理架构常用指令，包括带符号乘加变化（variations on signed multiply–accumulate）、饱和加减和前导零计数。

　　麦克风阵列通过RJ45以太风接口或USB OTG FS接口连接其它器件，与其它器件交互是通过可控制基本板设置的DIP开关实现。

　　如下图所示，每个MEMS麦克风都是由同一个时钟源触发，时钟源由专用振荡器驱动，对每个GPIO端口的一个引脚输出1位PDM 高频信号。输出PDM数据频率与输入时钟同步，因此，DMA控制器以同一频率即音频捕捉频率对GPIO端口进行读操作，然后将1 ms音频数据（每次）保存在存储器缓冲电路。这时，该缓冲器包含麦克风交叉信号，然后软件利用优化的快速解码函数对数据进行解复用处理。最后，PDM 数据通过数字信号处理环节，再进行PDM转PCM处理。

　　图 5.每个MEMS麦克风都是由同一个时钟源触发，时钟源由专用振荡器驱动，对每个GPIO端口的一个引脚输出1位PDM 高频信号

　　麦克风传来的PDM信号经过过滤和十分之一降采样率处理，以取得所需频率和分辨率的信号。麦克风输出的PDM数据频率（麦克风的输入时钟）必须是系统最终音频输出的倍数，滤波器管道输出是一个16位值，我们将 ［-32768， 32767］视为一个单位增益（0 dB）的输出范围。

　　原先滤波管道产生的数字音频信号在信号调理前被进一步处理。管道第一级是一个高通滤波器，主要用于除掉信号DC失调。为保护信号质量，该滤波级是使用一个截止频率不在可听频率范围内的 IIR滤波器，管道第二级是一个基于IIR滤波器的低通滤波器。两个滤波器有启用和禁用以及配置功能；可通过外部整数变量控制增益。

　　如上文所述，数据采集有两个比特流解决方案，通过DP开关选择使用哪一个方案。当选用 USB且在主机USB插入麦克风阵列时，主机将STM32_MEMS_Microphones视为一个标准的USB音频设备。因此，主机系统无需安装驱动软件。例如， STM32_MEMS_Microphones可直接连接第三方PC音频采集软件。当选用以太网时，STM32_MEMS_Microphones发送 RTP数据包。在网络服务器的以太网设置页对目的地IP、设备单播地址和采集参数进行配置。

　　4.结论

　　音源定位识别是语音识别技术中的一个重要的语音预处理环节，对提高音频应用和声控应用性能具有重要意义。音源定位主要用于自动语音识别、音频模式识别、说话人发现及识别。MEMS技术的问世让麦克风阵列能够嵌入在上述应用设计中，执行音频信号预处理过程，为应用级提供最好的信息。

　　该嵌入式单个说话人及其语音定位识别方案基于一个集成ARM处理器和一组MEMS麦克风的原型板。初步测试结果证明了这一集成方案的可行性，且系统级模块可以做语音、音频识别目标板，满足人机、人与周围环境的自然用户界面的功能要求。

 

　　TOP3 CMOS电容式微麦克风设计

　　随着智能手机的兴起，对于声音品质和轻薄短小的需求越来越受到大家的重视，近年来广泛应用的噪声抑制及回声消除技术均是为了提高声音的品质。相比于传统的驻极体式麦克风（ECM），电容式微机电麦克风采用硅半导体材料制作，这便于集成模拟放大电路及ADC（∑-ΔADC）电路，实现模拟或数字微机电麦克风元件，以及制造微型化元件，非常适合应用于轻薄短小的便携式装置。本文将针对CMOS微机电麦克风的设计与制造进行介绍，并比较纯MEMS与CMOS工艺微导入麦克风的差异。

　　电容式微麦克风原理

　　MEMS微麦克风是一种微型的传感器。其原理是利用声音变化产生的压力梯度使电容式微麦克风的声学振膜受声压干扰而产生形变，进而改变声学振膜与硅背极板之间的电容值。该电容值的变化由电容电压转换电路转化为电压值的输出变化，再经过放大电路将MEMS传感器产生得到电压放大输出，从而将声压信号转化成电压信号。在此必须采用一个高阻抗的电阻为MEMS传感器提供一个偏置电压VPP，借以在MEMS传感器上产生固定电荷，最后的输出电压将与VPP及振膜的形变Δd成正比。振膜的形变与其刚性有关，刚性越低则形变越大；另一方面，输出电压与d（气隙）成反比，因此气隙越低，则输出电压及灵敏度越优，但这都将受限于MEMS传感器的吸合电压，也就是受限于MEMS传感器静电场的最大极限值（图1）。

　　图1 电容式麦克风原理

　　CMOS微机电麦克风电路设计

　　在CMOS微麦克风设计中，电路是一个非常重要的环节，它将影响到微麦克风的操作、感测，以及系统的灵敏度。以图2为例，驻极式电容微麦克风的感应电荷由驻极体材料本身提供的驻极电荷所产生，而凝缩式电容微麦克风则是采用从CMOS的操作电压中抽取一个偏置电压，再通过一个高阻抗电阻提供给微麦克风的声学振膜来提供固定的电荷源。此时，若声学振膜受到声压驱动而产生位移变化，则电极板（感测端）的电压将会发生变化。最后，通过电路放大器将信号放大，则可实现模拟麦克风的电路设计；如果再加上一个∑-ΔADC模数转换电路，便可完成数字麦克风的电路设计（一般数字麦克风的输出信号为1比特PDM输出）。

　　图2 微麦克风电路设计简图

　　CMOS微机电麦克风工艺分类

　　从微机电麦克风的制造来看，就目前的技术层面而言，集成CMOS电路的MEMS元件可分为三种。Pre-CMOS MEMS工艺：先制作MEMS结构，再制作CMOS元件；Intra-CMOS MEMS工艺：CMOS与MEMS元件工艺混合制造；Post-CMOS MEMS工艺：先实现CMOS元件，再进行MEMS结构制造。一般而言，前两种方法无法在传统的晶圆厂进行，而Post-CMOS MEMS则可以在半导体晶圆代工厂进行生产。

　　图3简述了Post-CMOS MEMS的制造方式。在Post-CMOS MEMS工艺中需特别注意，不能让额外的热处理或高温工艺影响到CMOS组件的物理特性及MEMS的应力状态，以免影响到振膜的初始应力。鑫创科技公司克服了诸多的技术难题，完全采用标准的CMOS工艺来同时制造电路元件及微机电麦克风结构。在CMOS部分完成后，将芯片的背面研磨至适当厚度以符合封装要求。最后，利用氢氟酸溶液（HF）去除牺牲氧化物来释放悬浮结构。此外，在设计中还需考虑可完全去除牺牲材料而又不损害麦克风振膜的蚀刻方法，并应避免麦克风振膜与背电极板之间产生粘黏现象。

　　图3 Post-CMOS MEMS微麦克风的基本结构及工艺步骤

　　粘黏现象：由于麦克风振膜与背电极板之间的距离仅为数微米，在该尺寸下，当表面张力、范德华力、静电力、离子键等作用力大于麦克风振膜的回复力时，麦克风振膜将产生永久形变而附着于背电极板上，从而无法产生振动。通常，微机电悬浮结构粘黏现象的主要成因可以分为两类：第一类发生在麦克风振膜释放后，麦克风振膜受到表面张力影响，因而被拉近到与背电极板的距离非常靠近，若此时范德华力或氢键力等表面力大于麦克风振膜的回复力，则结构将产生粘黏现象而无法回复；第二类是悬浮结构在使用中受到外力冲击或是静电力吸引而落入表面力较回复力大的区域，则也会发生粘黏现象。因此，在结构设计上，必须特别考虑麦克风振膜在释放后的结构变形问题，并在重要的结构部位予以强化，利用特殊设计来减少粘黏现象的发生。

　　纯MEMS与CMOS工艺的差异

　　多数企业所开发的MEMS微麦克风主要分为两种形态：第一种是利用专业的MEMS代工厂制造出MEMS IC，再加上一个ASIC放大器，将MEMS IC及ASIC IC用SIP封装方式封装成MEMS麦克风芯片。这一部分在IC封装过程中必须保护振膜不被破坏，其封装成本相对较高；另一种是先利用CMOS晶圆厂制造出ASIC部分，再利用后工艺来形成MEMS的结构部分。其MEMS工艺技术目前似乎还无法在标准的CMOS晶圆厂完成，这主要是由于振膜需沉积高分子聚合物材料，而高分子聚合物材料还未用于目前的标准半导体IC工艺。另外，在CMOS工艺完成后，需分别在芯片的正面蚀刻出振膜并在其背面蚀刻出腔体及声学孔。该步骤通过载体晶圆（Carrier Wafer）来完成，在标准的CMOS铸造厂目前尚未创建出这样的环境。

　　目前，最大的课题是如何突破这两种形态MEMS麦克风的封装技术。其专利均由美国的微麦克风企业所掌控，因此，MEMS麦克风市场占有率主要分布在少数企业手上。

　　鑫创科技采取的方式是在CMOS工艺完成后，从芯片的背面形成腔体和声学孔作为MEMS结构的释放。这一部分无需使用特殊的机器和材料，可在现有的 CMOS晶圆厂内完成，因而能够降低开发成本。另外，鑫创科技的产品可直接利用晶圆级封装技术将CMOS电路与微麦克风集成在同一块芯片上，同样可避免在封装过程中对振膜产生破坏（图4）。

　　图4 微机麦克风扫描电路

　　MEMS麦克风目前已经取代ECM麦克风被广泛应用于手机中（尤其是智能手机），其主要原因是MEMS麦克风具有耐候性佳、尺寸小及易于数字化的优点。 MEMS麦克风采用半导体材质，特性稳定，不会受到环境温湿度的影响而发生改变，因而可以维持稳定的音质。电子产品组装在过锡炉时的温度高达260℃，常会破坏ECM麦克风的振膜而必须返工，这将增加额外的成本。采用MEMS麦克风则不会因为锡炉的高温而影响到材质，适合于SMT的自动组装。麦克风信号在数字化后，可以对其进行去噪、声音集束及回声消除等信号处理，从而能够提供优异的通话品质。目前已有多款智能手机采用数字化技术，在功能手机中也有加速采用的迹象。此外，笔记本电脑也是目前使用MEMS麦克风的主流，而机顶盒生产企业同样在积极尝试将MEMS麦克风应用于开发声控型机顶盒。

　　TOP4 MEMS麦克风的声学设计

　　前言

　　以高性能和小尺寸为特色的MEMS麦克风特别适用于平板电脑、笔记本电脑、智能手机等消费电子产品。不过，这些产品的麦克风声孔通常隐藏在产品内部，因此，设备厂商必须在外界与麦克风之间设计一个声音路径，以便将声音信号传送到MEMS麦克风振膜。这条声音路径的设计对系统总体性能的影响很大。

　　下图是一个典型的平板电脑的麦克风声音路径：

　　图1–典型应用示例

　　外界与麦克风振膜之间的声音路径由产品外壳、声学密封圈、印刷电路板和麦克风组成，这条声音路径起到波导作用，构建系统总体频响。此外，声音路径材质的声阻抗也会影响频响。若想准确预测声学设计的性能如何，需要建立声音路径模型，使用COMSOL等专业级仿真工具对声音路径的频响特性进行仿真实验。然而，本文为读者提供一些优化麦克风声音路径的基本原则。

　　Helmholtz谐振

　　狭窄的传声孔与空心腔室相连构成的结构在受到声波激励时会产生声学谐振。当我们对着空瓶的瓶嘴上方吹气时，就会发生这种谐振现象。这种结构叫做 Helmholtz谐振器，是以该现象的发明者Hermann von Helmholtz命名的。Helmholtz利用谐振频率不同的谐振器识别音乐等复杂声音内的频率成份。

　　Helmholtz谐振的中心频率是由下面的程式确定：

　　其中c是空气速度；AH是声孔的横截面积；LH是声孔的长度；VC是空腔的容积。该方程式假设谐振器是一个空腔和一条横截面均等的管道相连组成的简单结构。如果麦克风的声音路径的横截面积和材质不同，则描述声音路径的声波特性的方程式要复杂很多。因此，必须对整个声音路径进行声波特性仿真实验才能精确地预测声学设计的总体性能。

　　在本文内，通过改变麦克风密封圈的厚度和内径、产品外壳声孔直径、印刷电路板声孔直径、声音路径弯折和路径材质的声阻抗，我们对不同的声音路径进行了频响仿真实验。实验结果让设计人员能够预先掌握这些参数变化对声音路径总体性能的影响程度。

　　麦克风的频响

　　MEMS麦克风低频频响是由以下主要参数决定的：传感器振膜前侧和后侧之间通风孔的尺寸；后室的容积。而MEMS麦克风高频频响则是由麦克风前室和声孔产生的Helmholtz谐振决定的。

　　对于大多数MEMS麦克风，当麦克风的灵敏度降至低频然后再上升到高频时，因为Helmholtz谐振的原因，频响曲线大体相同。但是，不同的MEMS麦克在传感器设计、封装尺寸和结构方面差异很大，所以总体频响特别是高频频响的差异很大。意法半导体的多数麦克风将传感器直接置于声孔上面，以最大限度地降低前室容积，确保优异的高频响应。

　　图2–意法半导体MP34DT01上置声孔麦克风及其声室的X光影像

　　下面的仿真实验结果描述了意法半导体MP34DB01 MEMS麦克风本身的频响，该仿真工具在声音路径模型的每个离散点上求解该方程式，在仿真结束后，将在所有有用点采集的数据绘成图形。

　　图3–MP34DB01和MP34DT01 MEMS麦克风的声室

　　MP34DB01麦克风仿真结果证明，频响曲线在高频部分非常平坦，在20 kHz时，典型灵敏度上升幅度大约+3dB，这是因为Helmholtz谐振的中心频率很高。该仿真结果非常接近MP34DB01的实际测量频响。

　　图4– MP34DB01 MEMS麦克风频响仿真结果和实际测量结果

　　密封圈厚度对频响的影响

　　麦克风密封圈是在麦克风声孔与产品外壳声孔之间起到气密作用。在安装一个麦克风密封圈后，声孔至麦克风前室长度被延长，导致频响发生变化。下面的仿真实验是将长度不同但直径固定（400μm）的圆管置于麦克风声孔上，评估密封圈厚度对频响的影响程度。

　　图5– MP34DT01频响与密封圈厚度关系

　　从仿真实验中不难看出，增加一个密封圈会破坏频响性能。在增加密封圈（如果是下声孔麦克风，还要增加一个印刷电路板）后，实际声孔长度被延长，导致谐振频率降低，高频部分的灵敏度提高。更厚的密封圈将会提高谐振器瓶颈长度，导致谐振频率降低，高频响应性能变差。

　　密封圈内径对频响的影响

　　下一个仿真实验是评估内径不同但厚度固定（2mm）的密封圈对频响的影响。图6所示是使用不同内径密封圈的仿真实验结果。

　　图6– MP34DT01频响与密封圈内径关系

　　这些仿真数据表明，增加麦克风密封圈内径可提高谐振频率，提升总体频响性能。

　　声音路径形状对频响的影响

　　到此，仿真结果符合求解Helmholtz谐振方程式获得的预测结果。下面的仿真实验讨论声音路径形状变化对频响的影响，这项预测难度很大。图7（a）所示结构是一个长4mm、直径600μm的简易声音路径，其它仿真实验都以这个简单结构为基准。为了模拟密封圈、产品外壳声孔和印刷电路板声孔的宽度和形状的变化，仿真实验增加了长度、半径和形状不同的腔体，声音路径变得非常复杂。

　　图7–声音路径形状变化

　　图8– MP34DB01在不同声音路径形状时的频响

　　密封圈材质对频响的影响

　　到此为止所做的全部仿真实验都是集中在声音路径形状对频响的影响，并在所有路径表面应用了声音硬边界条件。下面的仿真实验讨论密封圈声阻抗对频响的影响。如图9所示，本实验对声孔（黄）、传感器腔体（粉）和传感器振膜（绿）的表面应用适合的声阻抗，而蓝色表面的声阻抗是变化的。某一种材质的声阻抗是指该材质的密度与穿过该材质的声速的乘积（Z =ρ。c）。密封圈通常由橡胶或其它弹性材料制成，而典型的产品外壳材质通常是塑料、铝或钢。

　　图9–声音路径表面

　　图10–密封圈材质对谐振峰值振幅的影响

　　因为谐振频率是由声音路径的形状决定的，虽然改变密封圈的声阻抗不会影响谐振频率，但是会影响谐振Q值。尽管声音路径保持连续谐振，但是质地更柔软的密封圈可减弱谐振，降低其在谐振频率附近的影响。与采用声音硬边界条件的实验结果相比，采用铁表面材料的声孔大幅降低了频响振幅峰值，这表明，使用声音硬边界条件得出的测试结果的严峻性不切实际。

　　案例分析–分析平板电脑下声孔麦克的整个声音路径

　　图11所示是一个平板电脑的下声孔麦克的声音路径。在这个示例中，下声孔麦克装于印刷电路板上，印刷电路板与产品外壳之间插入一个气密性软橡胶密封圈。

　　图11–平板麦克的声音路径设计和声腔3D模型

　　本仿真实验对声音路径所有组件都设定了适合的声学特性。图11（b）所示是11（a）结构的声音路径3D模型。本仿真实验所有材质在消费电子产品中都较为常用：FR4印刷电路板、软橡胶密封圈、铝制机身。

　　图12–平板麦克声音路径仿真结果

　　图12（a）所示是谐振峰值频率大约21.6 kHz的声音路径的频响曲线，图12（b）所示是在21.6 kHz谐振频率下气压在声音路径内的分布情况。在该谐振频率下，MEMS振膜承受的气压最大。

　　结论

　　下面的指导原则有助于麦克风声音路径的频响优化。

　　●声音路径尽量最短、最宽。将声音路径外部入口加宽有助于改进频响，而将声音路径的麦克风端加宽，则会降低频响性能。

　　●设法不让声音路径内存在任何空腔。假如无法避免，则尽量让空腔远离麦克风声孔。

　　●声音路径弯曲似乎对频响影响不大。

　　●质地柔软的密封圈材料可弱化谐振，提高频响性能。

　　TOP5 在双线式麦克风电路中使用MEMS麦克风

　　简介

　　如今MEMS麦克风正逐渐取代音频电路中的驻极体电容麦克风（ECM）。ECM和MEMS这两种麦克风的功能相同，但各自和系统其余部分之间的连接却不一样。本应用笔记将会介绍这些区别，并根据一个简单的基于MEMS麦克风的替换电路提供设计详情。

　　音频电路的ECM连接

　　ECM有两根信号引线：输出和接地。麦克风通过输出引脚上的直流偏置实现偏置。这种偏置通常通过偏置电阻提供，而且麦克风输出和前置放大器输入之间的信号会经过交流耦合。

　　图1. ECM电路连接

　　ECM的常见用例是在手机上连接的耳机中用作内联式语音麦克风。这种情况下，耳机和手机之间的连接器有四个引脚：左侧音频输出、右侧音频输出、麦克风信号以及接地。在这种设计中，ECM的输出信号和直流偏置电压在同一信号线路中传输。偏置电压源通常约为2.2 V.

　　MEMS麦克风区别

　　模拟MEMS麦克风的信号引脚上不使用输入偏置电压。但是，它是一种三端器件，有不同的引脚分别用于电源、接地和输出。VDD引脚的供电电压一般为1.8 至3.3 V.MEMS麦克风的信号输出通过直流电压实现偏置，一般等于或接近0.8 V.在设计中，该输出信号通常会经过交流耦合。

　　相对于ECM，使用MEMS麦克风的关键优势在于它的电源抑制（PSR）性能更强。MEMS麦克风的PSR通常至少为70 dBV，ECM却根本没有电源抑制能力，因为偏置电压直接通过电阻连接至麦克风。

　　用MEMS麦克风取代ECM时需要进行的电路更改

　　对于原本围绕ECM设计的系统，改用MEMS麦克风时面临的基本难题是，电源和麦克风输出没有单独的信号，例如使用耳机式麦克风时。如果对电路进行一些小的更改，就可以在此类设计中使用MEMS麦克风。首先，必须将信号链中直流偏置提供的下游信号与麦克风的输出信号隔离。其次，必须将此直流偏置用于为 MEMS麦克风供电，而且不能让麦克风的输出信号干扰电源。直流偏置的隔离可通过交流耦合电容实现，MEMS麦克风的电源可通过仔细设计的电路提供，该电路充当分压器和低通滤波器。以下设计中使用了ADMP504 MEMS麦克风作为示例。其中用到了一个2.2 k偏置电阻。

　　图2.将一根线用于电源和输出信号的MEMS麦克风

　　图2显示了一个实现上述功能的设计示例。在耳机的设计中，耳机连接器左侧的电路部分将会在实际耳机中，2.2 k偏置电阻和1 F交流耦合电容则在源设备（例如智能手机）中。电阻R1和R偏置形成分压器，MEMS麦克风将V偏置电压降至VDD引脚的供电电压。根据V偏置、R偏置和所需VDD电压的值，电阻R1可能需要非常小，如下例所示。要计算所需的串联电阻（R偏置+ R1），可将麦克风建模为一个电阻，将有固定电流从中流过。VDD = 1.8 V时，ADMP504的典型供电电流为180 A.根据欧姆定律，VDD上的电压为1.8 V时，该麦克风可建模为一个10 k的电阻。要求解合适的电阻R1值，所用的分压器公式为：

　　［麦克风VDD］=［偏置电压］×（10 k /（10 k + R1 + R偏置））

　　根据此公式可以算出，一个2.2 k的R偏置电阻和一个499的R1电阻会从2.2 V偏置电压分出1.73 V到麦克风的VDD上。在选择R1值时，需要进行权衡取舍；如下所示，此值太大会导致VDD过小，但为了防止C2过大，又不能让此值太小。如今MEMS麦克风正逐渐取代音频电路中的驻极体电容麦克风（ECM）。ECM和MEMS这两种麦克风的功能相同，但各自和系统其余部分之间的连接却不一样。本应用笔记将会介绍这些区别，并根据一个简单的基于MEMS麦克风的替换电路提供设计详情。关键词：MEMSADI

　　图3显示了该分压器的两种不同模型。左侧，ADMP504麦克风建模为180 A电流源；右侧，麦克风则建模为具有1.8 V VDD的10 k电阻。

　　图3.分压器模型

　　电容C2和电阻R1形成低通滤波器，用于对电压供电信号中输出的麦克风音频进行滤波。这种滤波器转折频率应该远低于麦克风本身的滤波器较低转折频率。将低通滤波器设计为至少低于麦克风较低转折频率的两个倍频程，这会是一个好的开端。对于ADMP504，此转折频率为100 Hz.10 F的电容和499的R1电阻可实现转折频率为31 Hz的滤波器。较大的电容或电阻会进一步降低此转折频率，但是该滤波器的电阻大小必须与它对分压器的贡献保持平衡，其中，分压器会向麦克风提供VDD.低通滤波器的？3 dB点的计算公式如下：

　　f-3 dB = 1/（2π×R1×C2）

　　其中：

　　R1为分压器中的电阻。

　　C2为低通滤波器电容。

　　电容C1对麦克风输出进行交流耦合，这样它的偏置输出就会与通过手机提供的麦克风偏置电压隔离。在给定的VDD条件下，凭借R偏置、R1和麦克风的等效电阻，该电容还会形成高通滤波器。计算高通滤波器转折频率时要考虑的总电阻为与R偏置并联的RMIC和R1的串联电阻。此电阻的计算公式为

　　R总=（（RMIC + R1）×R偏置）/（RMIC + R1 + R偏置）

　　对于此处的示例，R总= 1810.高通滤波器转折频率为：

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