标题：[转帖]新型电声产品接口技术与应用特征
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新型电声产品接口技术与应用特征 |
| 吴星华 |
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1、新型电声产品是数码产品配套新潮 当今主要电声产品有高性能麦克风／话柄式麦克风与平衡电枢式受话器及硅麦克风/超声声波传感器等。 而麦克风(又称传声器或换能器)每年的销售一半是非常廉价的低档传声器，面向玩具市场以及对尺寸和性能参数要求不太严格的其它应用。另一半是便携式、高端应用市场，例如移动电话、手机、数码相机、笔记本电脑等。移动电话被视为麦克风市场中增速最快的部分。移动电话的体积越来越小，而功能越来越多，因此对下一代麦克风性能的要求不断提高。 为此，当今麦克风产品应具有以下特性与优点：小尺寸使您的产品设计更特别；防水，防泼溅产品专为户外使用设计，适应高湿度环境；宽频响范围产品（己包括超声频段），可用于语音，音乐和检测设备产品设计中；超强的抗噪设计(包括防水)可用于高噪声环境；低功耗产品为您解决耗电难题；平衡电枢式麦克风(BJ系列)提供自身信号源；压电陶麦克风适应不同恶劣环境，震动灵敏度高。 可从以概括地说现代麦克风产品最大特点是MEMS（微电子机械系统）技术的 贴片式与数字化、小型化。 为此本文将对驻极体电容式麦克风、MEMS（微电子机械系统）SMD（贴片式）硅晶麦克风、数字麦克风及超声波声学帖片传感器等新型电声产品接口技术与分类及应用特征作分析介绍。 |
2、驻极体电容式麦克风(ECM)基本理念与接口技术
2.1基本理念
驻极体电容式麦克风(ECM)普遍用于电子与通信产品中。ECMs在非严苛的环境条件下能提供良好的声学性能与可靠性。其主要特征：高效能的电气规格；工业标准尺寸；有全指向、单指向及消噪型(双指向)；可整合电容作RF滤波；终端多样-非焊接型，Pin型及焊盘型；用于广泛多变的应用，包括有线／无线耳机、有绳／无绳电话、PDAs、笔记本和移动电话。
这种麦克风由振膜、背板和驻极体层构成。可移动的振膜和固定的背板构成了可变电容器的两个极板。驻极体层存储着相当于大约100V电容器电压的固定电荷。声压引起振膜振动，从而改变传声器的电容。由于分布在电容器上的电荷数是恒定的，所以电容器两端的电压随着电容的改变而变化，根据下面的电容器电荷公式：
其中，Q是电荷，单位是库仑；C是电容，单位是法拉；V是电压，单位是伏特。随着声压的变化，电容微量增加或减少，记为△C，由此引起电压成比例地减少或增加，记为△V。移动应用中的麦克风体积非常小，通常直径为3mm—4mm、厚度为lmm-1.5mm。因此它们的电容也相当小，典型值为3pF-5pF，在某些情况下，甚至小到1pF。
驻极体电容式麦克风产品例举
如Φ3mm麦克风 MB3015系列（KnowlesAcoustics-楼氏公司产）。MB3015是此级别中最小的ECM麦克风。适用于追求超小型化的设计应用。其内部传后各结构与外接示意图，见图1（a）所示。
图1（a）
电气特性
灵敏度：最小值(min)为-47dB，标准值(Nom) 为-44dB， 最大值(min)为-41dB；输出阻抗为22KΩ；指向性：全指向；耗电流为0.5mA；S／N比为55 dB；灵敏度降幅为-3dB；频率范围为100—10，000；工作温度为-30--+70℃；存储温度为-40--+85℃。其频率特性见图1(b)所示。
图1(b)
2.2驻极体电容式麦克风新型接口技术特征
CMOS模拟和数字电路取代JFET放大器
如果电容式麦克风所产生的信号驱动能力不够，那么在对信号做进一步处理之前需要一只缓冲器或放大器。按照传统方法，一直使用一只简单的结型场效应管(JFET)输入放大器实现这种传声器的前置放大。随着ECM微机械工艺的改进，麦克风体积越来越小，电容也不断减小。由于标准的JFET放大器具有相当大的输入电容，对来自传声单元的信号造成显著的衰耗，因此JFET放大器不再适合传声器的要求。
如今因CMOS制造工艺的改进推动了放大器电路的改进。采用CMOS模拟和数字电路取代JFET放大器有很多好处。与传统的JFET放大器相比，采用现代亚微米CMOS工艺实现的前置放大器有多种优点：即降低谐波失真，更容易增益设置，多功能模式，包括低功耗休眠模式，模数转换功能，能使麦克风直接输出数字信号，极大地提高了声音的质量，提高了抗干扰能力。
MEMS（微电子机械系统） SMD（贴片）-硅晶（SiSonic）贴片式麦克风
SiSonic SMD硅晶贴片式麦克风应用了MEMS技术。一直以来，ECM的难题在于驻极体的能效在高温中会降低，从而导致灵敏度的劣化。而硅晶麦克风中内置的CMOS电荷泵和MEMS则可完美的解决此难题，并使得产品能多次通过260℃无铅自动回焊炉。该款麦克风，使用悬浮振膜构造，即便焊接在基板上也能确保达到优于ECM的耐振动特性、12，000G跌落撞击，甚至能通过相当于半导体级别的信耐度测试。
全部硅晶麦克风，高度为1.25mm，音孔位置在上面或是基板面(零高度)，还有强化对抗RF干扰的型号。这方面的新产品有，零高度Mini型及数字麦克风。
特点：可过回焊炉(260℃，3次)；表面贴装元件便于大规模的自动化生产；料卷式封装；工作温度-40-／100℃；灵敏度不会随着工作电压变化而变化；输出阻抗低；耗电流低；无铅制品符合ROHS规范；抗振抗机械冲击；数字输出、差动输出。SiSonic-SMD硅晶麦克风有二种类型。
其一是标准品SiSonic-SMD硅晶麦克风（如楼氏公司产的SP0204、SPM0204型），图2（a）为原理示意图。
图2（a）
“1”与“3”脚为输出，“2”脚为GND，“4”脚为电源输入；图2（a） 其二是内置放大器SiSonic-SMD硅晶麦克风（如楼氏公司产的SP0208、SPM0208型），图2（b）为原理示意图。“1”与“3”脚为输出，“2”脚为为增益调整，“4”脚为电源输入。
图2（b）
上述二类SiSonic-SMD硅晶式麦克风品的产品特征：
指向性：标准品SP0204、SPM0204为全指向性； 内置放大器SP0208、SPM0208为全指向性。
输出电阻(ZOUT)：标准品SP0204、SPM0204标准值为8Ω，最大值为300Ω；内置放大器SP0208、SPM0208标准值为8Ω， 最大值为300Ω。
耗电流(Idss)：标准品SP0204、SPM0204最小值为0.100mA， 最大值为0.25 mA；内置放大器SP0208、SPM0208最小值为0.100mA， 最大值为0.35 mA。
S／N：标准品SP0204、SPM0204最小值为55dB， 标准值为59dB； 内置放大器SP0208、SPM0208最小值为55dB， 标准值为59dB。
典型输入参考噪音(E N L)：标准品SP0204、SPM0204标准值为35dB SPL；内置放大器SP0208、SPM0208标准值为35dB SPL。
工作电压(Vs) 标准品SP0204、SPM0204最小值为1.5V，最大值为3.6V；内置放大器SP0208、SPM0208最小值为1.5V，最大值为3.6V。
灵敏度变化相对电压波动：标准品SP0204、SPM0204灵敏度无变化； 内置放大器SP0208、SPM0208为灵敏度无变化。
最大输入音压：标准品SP0204、SPM0204最大值为115dB；内置放大器SP0208、SPM0208最大值为115dB。
工作温度：标准品SP0204、SPM0204最小值为-40℃，最大值为+100℃；内置放大器SP0208、SPM0208最小值为-40℃，最大值为+100℃。
存储温度：标准品SP0204、SPM0204最小值为-40℃，最大值为+100℃；内置放大器SP0208、SPM0208最小值为-40℃，最大值为+100℃。
频率范围：标准品SP0204、SPM0204为100 ～ 10，000Hz；内置放大器SP0208、SPM0208为100 ～ 10，000 Hz。
主要用途：便携式电话，有绳／无绳电话，电脑，笔记本电脑，平板电脑，PDA，MP3播放器，汽车及汽车附件及专业音响等。
3、DigitaI SiSonic 数字麦克风与数字输出麦克风的前置放大器
虽然简单的基于JFET放大器的功耗很低，但是其线性度差而且精度低。因此，改进麦克风设计的主要目标就是将前置放大器和数字技术结合起来，在保持极低功耗的同时，通过提高线性度和降低噪声来增加动态范围。
3.1DigitaI SiSonic 数字麦克风
移动电话处于固有的噪声环境。传统的JFET放大器(以及任何纯模拟)方案的问题是，模拟麦克风的输出信号很容易受到潜伏在放大器和模数转换器(ADC)之间的噪声信号的干扰。因此，将ADC集成到麦克风中，使麦克风自身能够提供数字输出，以减小噪声干扰。
其基本结构见图3（a）所示。
图3（a）
图3（a）为数字麦克风 (SPM0205HD4型)原理示意图。其中ADC为△∑型. 它是将以往的模拟麦克风输出送至∑△模数转换器，在外部时钟控制下，以PDM方式进行数字式输出。数字式麦克风的过采样率可达3.25Mhz，经过用户接收方的线路进行抽取处理并过滤全部数据。尤其是低功耗∑△ADC不受严格的设计限制能达到高分辨率。而低功耗休眠模式，当不需要麦克风时进入节电模式，可以延长电池工作寿命。
该SPM0205HD4型数字麦克风)有6引脚功能。“1”与“3”脚为输出，“2”脚为左/右声道选择，GND，“4”脚为时钟， “5”脚为数据输出， “6”脚为电源输入。
特征：不受EMI的影响，直接把音频信号传入处理芯片；以∑△型AD转换器进行PDM输出，相当于14bit的分辨能力；回路设计容易，能自由设置选择麦克风的位置；全数字化的回路设计，减少零部件的数量；立体声麦克风信号只需1根数据线来传送；有睡眠模式。
主要用途：可在便携电话、笔记本电脑(不受电磁干扰影响)、数码相机、数码摄录机、需要避免电磁干扰影响的麦克风上应用。
图3(b)为数字麦克风连接及其应用示意图。
图3(b)
从图3(b)中看出数字麦克风的输出与数据(data)及时钟(clack)信号将被送至芯片PCM数据流处理。即经过用户接收方的线路进行抽取处理并过滤全部数据。其芯片包括抽取与过滤电路。数字麦克风有6引脚功能. “1”与“3”脚为输出，“2”脚为左/右声道选择，GND，“4”脚为时钟， “5”脚为数据输出， “6”脚为电源输入。
数字麦克风电气特性
最大绝对值：供电电压，Vdd对地(-0.5V、+0.5V)；ESD耐受度为4KV。
工作参数：时钟频率为1．0～3.25MHz；工作电压(Vdd)为1.6～3.6V；占空比为0．4～0．6；VOL为-0.3～0.35Vdd (Lout=1mA)；OOH为0.65Vdd～Vdd+0(Iout=1mA)；灵敏度范围为±3dB。
性能：最大输入信号：Min为115dB；信噪比：标准值为56dB；短路输出电流：Min为1mA，Max为10mA；负载电容(COUT)为100PF；耗电流(IOUT)为600μA；灵敏度标准值为-26dBFS；待机电流(睡眠模式)为50μA。
频率响应特性。见图3（c）所示。
图3（c）
3.2数字输出麦克风的前置放大器
集成的数字输出前置放大器及其接口的框图如图4所示。
图4
传声单元的信号首先经放大器放大，然后经ADC转换成数字信号。内部稳压电源向放大器和ADC供电，既确保了良好的电源电压抑制能力，又为模拟部分提供了独立的电源。
按照仪表放大器结构中利用匹配电容器设置增益的方法使用两只运算跨导放大器(OTA)采用CMOS工艺制造前置放大器。这种带有MOS输入晶体管的结构，对于容性信号源具有接近零输入导纳的非常理想特性。由于使用电容进行增益设置，所以确保了高增益精度(只受光刻工艺限制)和多层—多层(poly-poly)电容器固有的高线性度。通过金属掩模编程很容易设置该放大器的增益，其增益可达到20dB。
该ADC足一个四阶、单回路、单bit∑△调制器，其数字输出是单bit过采样信号。使用△∑调制器实现模数转换具有以下几个优点：噪声整形将量化噪声的频谱移到高频段，移到有用频带之外很远之处。因此，该电路系统无需严格的匹配要求就能达到高精度；ADC采用单bit t∑△调制器，因此使其具备固有高线性度；在单bit、单回路调制器中，只有一个积分器有要求严格的设计限制。内回路积分器的输出都经过噪声整形处理，因此放宽厂对它们的设计要求。这样就降低了功耗。
4、用于探测／接收空气中超声波的新型组件-Ultrasonic MEMS超声波声学帖片传感器
用于探测／接收空气中超声波的组件-超声波声学传感器(UAS) 近期己闻世。该新型贴片传感器，采用成熟的MEMS技术，传感器频率探测范围大，频带宽度远远高于目前的超声波传感器。可适应多种环境要求，是一种高性能机械声学传感器。它适用于超声波技术应用的各个领域：超声波探距、状态监控、故障探测、液位感测和位置感测等。这种传感器可用于监控和探测10-65kHz的频率范围，在整个频段内的衰减值最少。
新型超声波传感器可以在单一感测组件中探测出多个频率，因此，它最终可以减少或避免凭主观臆测去选择产品的行为，从而可以为顾客选择适当的传感器来对频率进行探测或监控。这种传感器的小型化表面贴装封装设计不仅适用于工业品，而且也适用于大多数的制成品。尤其是MEMS贴片式麦克风、超微型驻集体麦克风、均衡电枢扬声器和语音加强软件等。例如楼氏公司的SPM0204UD5就是典型一例。
其特征：环境适应性强；频带宽，频率范围高达65kHz；尺寸小，表面贴装元件，采用与Sisonic相同的MEMS技术，集Sisonic优点于一身；既可做麦克风，又可做超声波传感器。
其引脚与应用见图5所示。引脚“1”为输出，引脚“2”与“3”为GND， 引脚“4”为电源。
图5
主要特性：全指向；频率范围为10K--65KHz；灵敏度Min为-51dB，标准值为-47 dB，Max为-43；输出阻抗(Zout) 为300Ω；耗电流（Idss）为0.1—0.25mA；信噪比(S／N) Min为55dB，标准值为59dB；工作电压(Vs) 为1.5V-3.6V；典型输入参考噪音(ENL) 为35dBA SPL ；灵敏度随电压变化(条件1．5到3．6V灵敏度的改变)在工作范围内无改变；最大输入音压(dB)为100dBSPL，THD<1％；115dBSPL，THD<10％。
5、结束语
应该说，为数码与通信产品设计的麦克风前置放大器大大推动了数字麦克风技术和产品的发展。上述的介绍仅是部份代表性技术和产品。