MEMS麦克风可增强音频系统的质量和可靠性

作者：Todd Borkowski

欢迎访问e展厅 展厅 10 音频器件/扬声器展厅 音频功率放大器, 语音芯片, 喇叭, 扬声器, 蜂鸣器, ... 新型 MEMS麦克风将高质量音频采集能力赋予便携式设备，同时能够降低成本、功耗和尺寸。 当今的消费电子设备正处于音频变革的前沿。近年来，设计人员专注于开发激动人心的新功能，如无线互联网访问和移动电视等，但音频功能的发展却相对滞后。而如今，这种状况即将改变。 麦克风技术在多方面获得了增强，包括信噪比(SNR)更高、宽带频率响应更平坦、灵敏度和相位匹配度更高等，这些技术进步有望推动新音频功能的开发——从高清音频和宽带 IP语音(VoIP)到改进型音频/视频录制以及用于免提通话的和波束形成。 这一趋势的根本推动力在于系统设计人员逐渐认识到，音频处理信号链前端的麦克风性能不佳对整体音质有着深远的影响。如果构建音频子系统的麦克风性能有限，则为了调理和改善音频信号，对下游处理的要求会大大增加。 这些要求进而会提高功耗及系统和开发成本，并使系统设计更趋复杂。而且，尽管付出了极大努力，音频质量仍然会受制于音频采集所用麦克风的性能。麦克风性能不佳必然会束缚设计人员的手脚，使其借助波束形成、噪声消除技术和立体声等新音频功能增强最终产品性能的努力大打折扣。 传统麦克风的性能局限 当今消费电子和通信设备的大多数音频子系统都采用驻极体电容麦克风(ECM)。这种器件包含一个附着一层非导电性预充电材料的固定背板和一个通常由敷有金属的聚酯薄膜制成的柔性薄膜。背板和薄膜可随声音运动，二者构成一个电容。 薄膜的运动会改变容值，导致输出电压发生变化。一个小型三引脚 JFET安装于麦克风腔内部，充当容性传感器与输出端之间的缓冲器。通常使用一个外部前置放大器向模数转换器(ADC)提供信号。 一直以来，ECM由于供货来源众多且价格便宜而被系统设计人员广泛采用。ECM的最新发展方向聚焦于降低成本和减小尺寸，但制造商们在提高麦克风灵敏度、SNR和线性度方面收效甚微。 因此，ECM技术虽然在过去为消费电子应用提供了成功的解决方案，但如今却在多方面限制了性能的改善。该技术的功耗相对较高，这是电池供电的移动系统设计人员的一个主要顾虑。电源抑制(PSR)或抑制电源噪声的能力同样相对较差。 较差的 PSR令设计人员不得不担心 LCD等其它系统组件所产生的噪声，从而削弱了设计人员放置麦克风时的灵活性。使用 ECM的设计人员可以增加一个低压差调节器(LDO)来为麦克风产生干净的电源，以弥补该技术 PSR较差的缺点，但这种方法会增加系统元件数量，加大系统尺寸、功耗和成本。 此外，ECM技术还会引起一些额外的隐性成本。首先，使用驻极体往往需要手工装配，这就会增加制造过程的时间和成本。其次，ECM需要多个其它支持元件，如分立转换器和前置放大器等。这些额外元件会加大电路板面积要求，提高功耗和成本。 再次，与采用当今光刻半导体工艺制造的器件相比，驻极体无法提供如此小的容差和如此高的器件间性能一致性。ECM的灵敏度和频率响应随着器件和温度的不同而有较大差异，系统设计人员难以为立体声等基本应用进行器件匹配。 为了弥补这种不足，针对此类应用构建多麦克风设计的制造商常常必须手工挑选 ECM，以便更好地匹配器件，而这又会提高成本，使制造过程进一步复杂化。 为了消除其中的一些问题，系统制造商已经开始改用表贴驻极体。但是，半导体行业正向无铅焊接过渡，由此带来了一些新的障碍。无铅制造所用的更高回流焊接温度会降低驻极体性能，为了减轻回流焊工艺对驻极体性能的影响，制造商往往不得不进行多次回流焊操作。 麦克风设计的新方向 基于微机电系统(MEMS)技术的新一代麦克风突破了驻极体的许多局限性。这种全新的麦克风设计方法可提供数字或模拟输出，明显改善了音频采集的质量，适合于要求高保真音频/视频录制、免提、TIA-920兼容型 VoIP、语音识别等功能的应用。 虽然 MEMS麦克风的最初应用仅限于助听领域，但分析人士认为，MEMS麦克风技术的最新发展将能使数百万该类器件在今后几年被集成到流行的消费电子设备中，如蓝牙电话听筒、手机、PC和摄像机等。 新型麦克风利用 MEMS技术将压敏薄膜直接蚀刻到硅片中。设计人员通常将分立传感器与集成前置放大器和 ADC的ASIC匹配使用。目前使用的绝大部分 MEMS麦克风提供模拟输出，但近期的数字 MEMS器件有望大幅节省成本、功耗和尺寸。 数字输出麦克风还能极大地抑制 Wi-Fi天线和 LCD时钟信号等来源所产生的 RF噪声和电磁干扰(EMI)。此外，数字输出麦克风还有望消除模拟信号调理需求，以及模拟信号布线通常需要的传统电缆屏蔽。这些进步将使系统设计人员能够更灵活自由地安排麦克风在其设计中的位置，从而最大程度地发挥音频增强功能，如立体声和阵列波束形成等。 无论是模拟输出还是数字输出，基于 MEMS的麦克风都可以消除 ECM带来的诸多隐性成本。MEMS麦克风采用光刻半导体工艺制造，器件与器件之间的 MEMS产品容差高度一致。 采用 MEMS麦克风再也无需进行手工装配和手工挑选器件等耗时的操作。此外，无铅焊接所需的更高回流焊温度也不会影响基于硅的 MEMS麦克风性能，因而最终产品的质量和可靠性得以增强。 同样重要的是，MEMS麦克风制造商现已能够提供支持高质量音频采集的麦克风。例如，ADI公司的数字和模拟输出全向 MEMS麦克风可提供业界最高的 61 dB A加权 SNR性能。 更高的 SNR使消费电子制造商能够针对电话会议或高保真音频/视频录制等应用提供更好的近场和远场性能。ADI公司MEMS麦克风的典型频率响应在 100 Hz至 15 kHz以上范围内基本上是平坦的（图 1）。 可靠性是麦克风设计的另一个重要关注点，特别是在消费电子应用中。大部分 MEMS麦克风制造商将 MEMS元件放在封装内部远离封装声音端口的地方，以便保护薄膜。这种方法的弊端是封装内部空间与声音端口一起构成一个亥姆霍兹谐振器，它会降低频率响应性能。 为了解决这一问题，ADI工程师开发了一种 MEMS元件，它能承受 160dB以上的声压级冲击，并且保护薄膜免受环境灰尘颗粒的影响（图 2）。这种稳定可靠的设计使得 MEMS元件能够直接放在封装中开放声音端口的上方，从而消除谐振，确保频率响应极为平坦（图 3）。 更平坦的频率响应进而可以使声音听起来更加清晰、自然和悦耳，同时能令设计人员更轻松地改善远场性能，并增加新特性，如高清音频或支持兼容 TIA920的宽带 VoIP等。 与 ECM相比，最新一代 MEMS麦克风还能提供出色的噪声抑制能力。例如，ADI公司的新型模拟输出 MEMS麦克风提供 70 dBV的 PSR，数字输出 MEMS麦克风则提供 80 dBFS，二者均为业界最佳。这些特性可大大简化电源设计要求，并明显提高设计人员在电路板布局方面的灵活性。 结束语 业界对更高音频性能的需求显然正在不断增长，从蓝牙电话听筒和笔记本电脑到手机和数码摄像机，各种消费电子设备都把它视为制胜利器之一。由于当前 ECM技术的局限，要满足这些需求面临着严重的障碍。 借助半导体制造的优势，基于 MEMS的麦克风使系统设计人员——特别是那些注重性能、空间受限、需要多麦克风的系统设计人员有机会在尺寸更小、功耗更低、可靠性更高的表贴封装中实现更高水平的音频功能，从而更容易集成到音频处理信号链之中。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (10/29/2013)