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MEMS设计改善移动平台的麦克风性能
作者:Andreas Kopetz
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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, ...
移动电话技术在拍照分辨率和图像捕捉能力方面进步迅速,给消费者带来了不小的惊喜。对成像技术的重视使得手机成功取代了成千上万的相机。

实际上,移动平台在图像记录方面的成功唤起了人们对音频质量的注意,这是大家不太注意但同样重要的影响消费者多媒体体验的因素之一。而音频质量取决于所用MEMS麦克风的性能。

在拍照智能手机并不太长的发展历史中,音频质量的进步速度没有视频质量那么快。其原因之一是欠缺消费者需求。其原因非常简单,当您进行语音通话时,好的麦克风主要是让接听者受益,而不是手机的拥有者。这使得难以向智能手机购买者推销优质麦克风。

如今智能手机里的麦克风不仅仅只是捕捉声音进行传输。它们还以非常低的功耗用作音频传感器,以实现语音激活和控制。当手机被用于视频录制时,它们可提供高质量的音频。视频录制模式推动麦克风向更高的声学性能发展。当智能手机录得超高清视频,但音频质量却不敢恭维时,这会非常令人失望。

由于智能手机用户在播放视频时可直接感受到麦克风的性能,因此麦克风质量成为一个差异化因素。如果音频质量不佳,可能会毁掉录制的视频,哪怕视频拥有4K分辨率。

声学过载点(AOP)

视频录制(和分享)的流行导致了对麦克风声学过载点(AOP)的更加重视。除了众所周知的信噪比(SNR)之外,AOP是麦克风最重要的质量指标。

AOP指的是麦克风总谐波失真(THD)等于10%时的声压级(SPL)。作为一个可衡量的特性,AOP可用于评估麦克风在高声压水平下的性能,包括高噪声环境,比如音乐厅和夜店。在某些应用场景下,甚至是风噪都能导致麦克风达到声学过载点。

过去,麦克风制造商使用120dB SPL作为大多数麦克风的基础AOP水平。最近,AOP要求上升至130dB SPL,甚至更高。这额外的10 dB可使最终用户享受到卓越的声学性能,即使是在嘈杂的音乐厅环境。此外,实现了更强的抗风噪性能。智能手机适用的音频算法可更好地处理音频信号,而不会产生伪迹。

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图1:典型麦克风设计包含MEMS膜和ASIC

使用微机械

智能手机麦克风是采用半导体生产工艺批量制造的MEMS(微型机电系统)设备。典型设计包含一个MEMS传感器和一个ASIC(图1)。传感器中有一个随声压不同而移动的传感膜,这可在ASIC中产生电信号,经放大后用于模拟麦克风,或经ADC处理后用于数字麦克风。

英飞凌创造了采用芯片组的高声压级麦克风组件,并销售给麦克风制造商。该解决方案由MEMS元件和具备模拟或数字输出的ASIC组成。MEMS麦克风将音频信号转换成电信号,从根本上来说是一个直流偏置电容偏压电容器,声压变化引起膜片移动可改变电容器背板电压(图2)。

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图2: MEMS麦克风电容式传感器原理: A) 单背板和B) 双背板

处理高声压面临的主要挑战是膜片的大幅度移动,当膜片移位达到极限时就会导致失真。面临的第二个挑战是设计一个能处理MEMS元件生成的高信号的ASIC。

实现高声压级麦克风的方法之一是通过硬化传感膜或降低偏置电压来削减麦克风的灵敏度。这会减少传感膜的移动,因此生成的信号要低一些。然而,这也会相应降低另外一个参数——信噪比(SNR)。在许多应用场景下高SNR非常重要,意味着要求麦克风自身噪声应尽可能低,但其灵敏度应尽可能高。

三明治效应

另外一种方式是将MEMS元件布置在两个背极板之间(图3)。这会带来差分输出(与单端输出相比),具备以下数种优势。

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图3:英飞凌针对高AOP麦克风的双背板MEMS设计

●双背板MEMS麦克风由于其对称性结构最大限度降低了失真。同样原理适用于高端演播室电容式麦克风。

●差分元件在音频处理链(前置放大器、ADC等)中更易管理,这可潜在降低ASIC的功率要求。它还可降低RF干扰,从而减少信号处理步骤。

●双背板设计具有更强的抗风噪能力,而单背板高AOP麦克风制造商通常使用一个滤波器来消除低频风噪,同时这也会对音频质量产生影响。滤波器会过滤掉音乐录制中非常重要的低音。毕竟对于音乐而言,低音不可或缺。

其结果是,双背板麦克风在到达AOP的过程中具有更好的线性。与传统单背板麦克风相比,音频开始失真(2%)的声压级被提高了近10dB。这对于音频信号质量具有重大影响(图4)。

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图4:从智能手机拆解的麦克风测得的THD

英飞凌高声压级麦克风采用双背板设计。这实现了非常高的AOP,同时具有当今市场同类产品相当或更高的SNR。音频测试表明在良好的音频播放和收听条件下,大于2%的THD就可以注意得到。因此以低于2%的THD实现超过当今最低行业标准130 dB SPL的AOP具有重大意义。

英飞凌委托一个独立机构,遵照最新的ITU-T建议,使用POLQA(语音品质感受客观分析)方法对麦克风性能进行评估。评估结果与主观听音测试结果一致,并表明采用英飞凌双背板MEMS技术的麦克风具有杰出的性能。

有许多因素会影响智能手机硅基麦克风的最终性能,包括音频处理链和麦克风阵列的设计。还有多个变量会影响麦克风阵列的功耗,而双背板设计的优势之一就是可降低信号处理的复杂性。

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图5:高AOP麦克风和低AOP麦克风便携式现场演示器

最后,麦克风设计之路的最好起点就是听音测试。可用测试盒(图5)来比较低AOP麦克风和高AOP麦克风之间的区别,并为开发提供基准。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2016-6-4)
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