為嵌入式應用選擇合適的麥克風(fēng)

2021-09-25

為嵌入式應用選擇合適的麥克風(fēng)

如果您需要捕獲聲波以供電子設備處理，則需要麥克風(fēng)。然而，如今的麥克風(fēng)已經(jīng)變得非常先進(jìn)，可供選擇的選項太多了。雖然它們相對較小，但它們具有廣泛的選擇和技術(shù)。它們的范圍從相對簡(jiǎn)單和流行的電容式麥克風(fēng)到包含內部放大器和其他電子處理功能的最先進(jìn)的聲音轉換解決方案。

動(dòng)圈話(huà)筒

動(dòng)圈話(huà)筒僅由塑料振膜、音圈和永磁體組成。它的工作原理與螺線(xiàn)管相同，只是反向工作。

振膜連接到音圈的一端，而音圈的另一端松散地支撐在磁鐵周?chē)ɑ騼炔浚?。當交替的聲壓波施加到振膜時(shí)，這會(huì )移動(dòng)振膜，從而移動(dòng)音圈，從而使其交替響應。由于音圈通過(guò)磁鐵的磁場(chǎng)加速，因此在音圈的輸出引線(xiàn)上會(huì )產(chǎn)生感應電壓。然后可以使用該電壓為最小負載供電，或者，可以使用放大器增加其強度，使信號能夠驅動(dòng)更大的負載。

還提供動(dòng)態(tài)麥克風(fēng)，在設備主體內裝有一個(gè)內部變壓器。這使他們能夠擁有高阻抗或低阻抗輸出，并且他們可以在兩個(gè)選項之間切換。

動(dòng)圈話(huà)筒非常堅固，提供平滑和擴展的頻率響應，同時(shí)不需要外部電源來(lái)驅動(dòng)它們。它們還在很寬的溫度范圍內表現良好，并提供低阻抗輸出。這使它們成為適用于廣泛應用的出色低成本解決方案。動(dòng)圈麥克風(fēng)通常用于公共廣播系統、高保真音響和家庭錄音應用。

碳麥克風(fēng)

碳麥克風(fēng)包含碳顆粒，它們共同具有有用的特性，即顆粒兩端的電阻與施加到顆粒上的壓力成正比變化。這使它們能夠充當換能器，當交替的聲波通過(guò)改變壓縮壓力來(lái)改變電阻時(shí)，將聲音轉換為電信號。

這是一種非常古老的麥克風(fēng)類(lèi)型，在早期的電話(huà)系統中采用，不再普遍使用。

與其他麥克風(fēng)設計相比，碳麥克風(fēng)的主要優(yōu)勢在于它們可以從非常低的直流電壓產(chǎn)生高電平音頻信號，而無(wú)需任何形式的額外放大或電池。碳麥克風(fēng)通過(guò)使用電源提供功率增益。這可以通過(guò)串聯(lián)連接電池、麥克風(fēng)和耳機來(lái)輕松演示。如果麥克風(fēng)和耳機靠得很近，系統中的反饋會(huì )導致耳機振蕩。這只有在環(huán)路周?chē)墓β试鲆娲笥?span> 1 時(shí)才有可能。麥克風(fēng)的低電壓性能在電話(huà)線(xiàn)很長(cháng)的偏遠地區特別有用。電線(xiàn)的電阻會(huì )導致嚴重的直流電壓下降，從而限制可用的功率。幾乎所有的電子電話(huà)都需要至少三伏直流電才能工作，并且在這種情況下通常會(huì )變得無(wú)效。相比之下，當電源電壓降至幾分之一伏時(shí)，基于碳麥克風(fēng)的電話(huà)將繼續工作。

碳麥克風(fēng)廣泛用于對安全至關(guān)重要的電話(huà)應用，例如采礦和化學(xué)制造行業(yè)。由于存在火花風(fēng)險和隨后的爆炸風(fēng)險，因此不能使用更高的線(xiàn)電壓。碳基電話(huà)系統還可以抵抗高壓瞬變造成的損壞，例如由雷擊和核爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖產(chǎn)生的高壓瞬變。這使它們成為關(guān)鍵軍事設施和易受雷擊的建筑物周?chē)膫溆猛ㄐ畔到y的理想選擇。

電容話(huà)筒

電容式麥克風(fēng)是一種麥克風(fēng)，由一對帶電板組成，這些帶電板可以通過(guò)聲波引起的氣壓變化來(lái)靠近或遠離。實(shí)際上，這些板就像一個(gè)聲音敏感的電容器。

一塊板通常由柔性金屬材料或金屬涂層塑料制成，通過(guò)施加外部電壓源帶正電。另一塊板由固定到位并接地的剛性金屬材料制成，用作麥克風(fēng)的接地。

電容話(huà)筒內置了操作此類(lèi)話(huà)筒所需的集成放大器。需要一個(gè)極低噪聲、高阻抗的放大器，以提供低輸出阻抗。如果沒(méi)有放大器，麥克風(fēng)的輸出信號會(huì )太低而無(wú)法使用。由于麥克風(fēng)需要外部電源為電容板充電，因此包含有源放大器電路不會(huì )對設備施加任何額外限制。始終檢查數據表以確定所選電容式麥克風(fēng)的偏置電壓和電流要求。

駐極體麥克風(fēng)

駐極體麥克風(fēng)之所以如此命名，是因為它使用靜電和磁性特性來(lái)發(fā)揮作用。它也可以稱(chēng)為 ECM 麥克風(fēng)。它由穩定的介電材料構成，具有永久嵌入的靜電偶極矩。由于材料的高電阻和化學(xué)穩定性，駐極體的使用壽命不會(huì )受到其性能的任何衰減或退化的影響。駐極體通常是通過(guò)熔化合適的介電材料，如塑料或蠟（含有極性分子），然后在強靜電場(chǎng)中重新固化而制成的。電介質(zhì)的極化分子將自身與靜電場(chǎng)的方向對齊，從而產(chǎn)生永久的靜電偏置?，F代駐極體麥克風(fēng)使用薄膜或溶質(zhì)形式的 PTFE 來(lái)制造駐極體。

駐極體麥克風(fēng)的工作方式與電容式麥克風(fēng)相同，利用帶靜電的材料作為電容板。不同的是，這種類(lèi)型的麥克風(fēng)通過(guò)使用永久帶電材料消除了對外部極化電源的要求。它仍然需要用于集成放大電路的電源，以及用于偏置電容器的上拉電阻器（通常約為 1k - 10k 歐姆）。

使用駐極體的主要優(yōu)點(diǎn)是它們是成本相對較低的組件，有多種尺寸可供選擇，通過(guò)低噪聲 JFET 緩沖器提供輸出。這些器件通常以圓柱形形式提供，可選擇使用焊盤(pán)、引腳、表面貼裝或引線(xiàn)進(jìn)行連接。

主要缺點(diǎn)是它們不能回流焊接，因為駐極體隔膜不能承受高溫。

MEMS麥克風(fēng)

MEMS（微機電系統）型麥克風(fēng)正在成為市場(chǎng)上最常見(jiàn)的類(lèi)型，并正在取代駐極體的普及。

它們使用壓敏隔膜進(jìn)行操作，該隔膜通過(guò) MEMS 加工技術(shù)直接蝕刻到硅晶片中，并以此命名。通常，它們將包含一個(gè)集成前置放大器作為設備的一部分。通常，聲能由隔膜通過(guò)改變材料的電容以與電容和駐極體麥克風(fēng)類(lèi)型相同的方式進(jìn)行轉換。還有其他變體使用壓電材料從壓力變化中產(chǎn)生電信號。

如上圖所示，聲波通過(guò)聲音入口并振動(dòng)傳感器膜。集成的 ASIC（專(zhuān)用集成電路）檢測壓電效應的電容變化，放大該信號，并在必要時(shí)將其轉換為數字輸出。

MEMS麥克風(fēng)的主要優(yōu)點(diǎn)是耐高溫能力使其適合回流焊接，與同等封裝尺寸的駐極體麥克風(fēng)相比噪聲性能有所改善，并且由于其緊湊的尺寸，性能密度明顯高于駐極體麥克風(fēng)。MEMS 麥克風(fēng)還可以在更高的溫度范圍內工作，并在整個(gè)范圍內具有更好的性能。由硅或壓電材料制成的基本 MEMS 麥克風(fēng)的工作溫度范圍通常為 -40oC 至 +85oC?；抉v極體麥克風(fēng)的工作溫度范圍通常為 -20oC 至 +70oC。此外，雖然具有更寬的工作范圍，但 MEMS 麥克風(fēng)在該范圍內具有較低的靈敏度變化。MEMS 麥克風(fēng)通常具有 +/- 0.5 dB，而駐極體麥克風(fēng)在其較小的范圍內通常具有 +/- 4 dB。主要原因是 MEMS 麥克風(fēng)振膜比等效駐極體元件小得多，在振動(dòng)靈敏度方面提供多達 12 dB 的優(yōu)勢。

MEMS 麥克風(fēng)有不同的變體，讓我們更詳細地探討一下這些選項。

模擬 MEMS 麥克風(fēng)

模擬MEMS麥克風(fēng)顧名思義，輸出模擬信號。大多數模擬 MEMS 麥克風(fēng)都有一個(gè)內部放大器，因此它們的輸出信號以可用的電平提供，并具有相當低的輸出阻抗。

模擬 MEMS 麥克風(fēng)采用隔直流電容器，無(wú)需主機電路來(lái)匹配 MEMS 麥克風(fēng)的直流輸出電壓。模擬 MEMS 麥克風(fēng)也有偏置，因此信號位于接地和電源之間，以避免任何模擬聲音信號削波。在為該設備實(shí)現接口電路時(shí)，設計人員必須確保使用正確的電容和電阻值，以便固有的高通濾波器特性使所需的音頻能夠以可接受的衰減水平傳遞到電路

數字 MEMS 麥克風(fēng)

數字 MEMS 麥克風(fēng)是一種 MEMS 麥克風(fēng)，其數字輸出使用與前置放大器集成的 ADC 生成。這具有簡(jiǎn)化與微處理器和微控制器的集成的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需單獨的 ADC，也無(wú)需在組件之間的 PCB 上路由模擬信號。這降低了 PCB 設計的重要性。輸出信號對 PCB 走線(xiàn)或尺寸、耦合效應（電感和電容）和 RF 干擾源不敏感。這使得數字 MEMS 麥克風(fēng)非常適合模擬音頻信號容易受到干擾的應用。

數字 MEMS 麥克風(fēng)也有一些有用的功能。改變 MEMS 數字麥克風(fēng)的時(shí)鐘速度將改變其電源模式。通常，它們包括低功耗模式 (LPM)，使麥克風(fēng)能夠在始終開(kāi)啟的聆聽(tīng)模式下使用，以進(jìn)行關(guān)鍵字識別和環(huán)境聲音分析。在此模式下，麥克風(fēng)將消耗最少的電流，同時(shí)保持高電聲性能。

與其他類(lèi)型相比，數字 MEMS 麥克風(fēng)的主要缺點(diǎn)是組件成本較高。然而，不需要單獨的編解碼器/放大器/ADC 電路和濾波所帶來(lái)的節省以及相關(guān)的電路板空間需求減少將平衡這一點(diǎn)。

數字 PDM MEMS 麥克風(fēng)

數字 MEMS 麥克風(fēng)的 PDM 變體使用脈沖密度調制 (PDM) 技術(shù)添加單個(gè)數字流，以簡(jiǎn)化與微控制器的集成。這利用了數字 MEMS 的電噪聲抗擾度，但增加了誤碼容限和簡(jiǎn)單的硬件接口。

下圖顯示了如何使用共享時(shí)鐘和數據線(xiàn)將兩個(gè)麥克風(fēng)連接到主機電路。在實(shí)現立體聲麥克風(fēng)時(shí)經(jīng)常采用這種配置。

MEMS 與 ECM 麥克風(fēng)

在 ECM 和 MEMS 麥克風(fēng)之間進(jìn)行選擇時(shí)，需要考慮多種因素。由于這種新技術(shù)提供了許多優(yōu)勢，MEMS 麥克風(fēng)的市場(chǎng)份額不斷增加。例如，空間受限的應用會(huì )發(fā)現可用于 MEMS 麥克風(fēng)的小封裝尺寸很有吸引力。同時(shí)，由于 MEMS 麥克風(fēng)結構中包含模擬和數字電路，因此可以減少 PCB 面積和組件成本。模擬 MEMS 麥克風(fēng)相對較低的輸出阻抗和數字 MEMS 麥克風(fēng)的輸出非常適用于電噪聲環(huán)境中的應用。在高振動(dòng)環(huán)境中，使用 MEMS 麥克風(fēng)技術(shù)可以降低機械振動(dòng)引入的有害噪音水平。

此外，半導體制造技術(shù)和音頻前置放大器的加入有助于制造具有緊密匹配和溫度穩定性能特性的 MEMS 麥克風(fēng)。當 MEMS 麥克風(fēng)用于陣列應用時(shí)，這些嚴格的性能特性尤其有益。在產(chǎn)品制造過(guò)程中，MEMS 麥克風(fēng)還可以通過(guò)貼裝機輕松處理并耐受回流焊接溫度曲線(xiàn)。

盡管 MEMS 麥克風(fēng)越來(lái)越受歡迎，但仍有一些應用可能更喜歡使用駐極體電容麥克風(fēng)。許多傳統設計都使用了 ECM，因此，如果項目是對現有設計的簡(jiǎn)單升級，最好繼續使用 ECM。將 ECM 連接到應用電路的選項包括引腳、電線(xiàn)、SMT、焊盤(pán)和彈簧觸點(diǎn)，為設計工程師提供了額外的靈活性。如果防塵和防潮是一個(gè)問(wèn)題，由于其較大的物理尺寸，很容易找到具有高侵入保護 (IP) 等級的 ECM 產(chǎn)品。對于需要非均勻空間靈敏度的項目，ECM 產(chǎn)品可提供具有內在方向性的單向或特定降噪功能。

數字 I2S 麥克風(fēng)

I2S（Inter-IC Sound）是一種串行總線(xiàn)協(xié)議接口標準，用于將數字音頻設備與微控制器或其他控制器板連接起來(lái)，以進(jìn)行 PCM 音頻數據的通信。它也非常適合將數字音頻設備連接在一起。它使用兩條時(shí)鐘線(xiàn)（SCK 和 WS）和一條數據線(xiàn)（SD）。

通信以數據位流的形式實(shí)現，WS 時(shí)鐘信號表示傳輸開(kāi)始，SCK 時(shí)鐘信號表示每個(gè)數據位。數據首先發(fā)送最高有效位 (MSB)。該實(shí)現允許 16 位或 32 位數據消息。兩者之間的互操作性由接收器邏輯自動(dòng)處理。如果接收器期望 16 位并收到 32 位，則它只會(huì )忽略最后 16 位。另一方面，如果它需要 32 位并且只接收 16 位，它只會(huì )將最低有效位設置為零。

在實(shí)現解碼邏輯時(shí)，重要的是要注意 WS 信號在發(fā)送數據的 MSB 之前更改 SCK 位上的狀態(tài)。這讓接收器在存儲當前位后準備切換到另一個(gè)通道，而不必同時(shí)存儲、切換和繼續發(fā)送。

主要優(yōu)點(diǎn)是只要 MCU 支持 I2S 協(xié)議，這種類(lèi)型的數字 MEMS 麥克風(fēng)輸出就可以使用三根線(xiàn)連接到 MCU。

二通道串行音頻接口

串行音頻接口是迄今為止最常用的機制，用于在系統內的設備之間傳輸兩個(gè)音頻數據通道；例如，從模數轉換器到數字信號處理器 (DSP)，然后是數模轉換器。對于大多數媒體應用程序，聲音被記錄和處理為雙聲道立體聲信號。這使得對雙通道串行音頻接口的需求變得司空見(jiàn)慣，并且與單獨處理兩個(gè)信號相比，使用一個(gè)處理設備管理立體聲信號具有顯著(zhù)優(yōu)勢。

串行音頻接口由兩個(gè)控制時(shí)鐘、左/右和串行時(shí)鐘以及串行音頻數據線(xiàn)組成。左/右時(shí)鐘標識當前正在傳輸哪個(gè)通道，而串行時(shí)鐘啟用解碼該通道中的數據。缺點(diǎn)是由于共享帶寬，數據吞吐量減半。然而，對于典型的音頻應用，上限頻率可以被限制在標準人類(lèi)聽(tīng)力范圍內，該范圍具有相對適中的值上限。

TDM 音頻接口

TDM（時(shí)分復用）音頻接口允許在單條數據線(xiàn)上傳輸多個(gè)音頻數據通道。如果需要由單個(gè)控制器處理以低數據速率發(fā)送信息的多個(gè)數字麥克風(fēng)，則非常有用。TDM 接口類(lèi)似于雙通道串行音頻接口，但支持更多通道（通常為 4、6 或 8 個(gè)）。這對于具有環(huán)繞聲功能或專(zhuān)業(yè)錄音應用程序的電影媒體系統非常有用。與雙通道串行音頻接口一樣，TDM 接口由兩個(gè)控制時(shí)鐘、一個(gè)幀同步脈沖 (FSYNC) 和一個(gè)串行時(shí)鐘 (SCLK) 以及串行音頻數據線(xiàn) (SDATA) 組成。

FSYNC 時(shí)鐘標識第一個(gè)通道傳輸的開(kāi)始，而串行時(shí)鐘對該通道中的數據進(jìn)行解碼。

平衡輸出與非平衡輸出

設計人員要考慮的另一個(gè)因素是麥克風(fēng)是否具有平衡或非平衡輸出。不平衡信號具有音頻信號和接地，接地嘗試吸收大部分干擾和電噪聲。

相比之下，平衡信號有兩個(gè)音頻信號輸出，一個(gè)為正，另一個(gè)為負。這種技術(shù)的操作與差分對布線(xiàn)相同；任何存在的干擾都會(huì )同等地影響正負信號（假設它們在物理上并置）并抵消。輸出還包括一個(gè)接地，可提供額外的保護，防止不必要的共模干擾。

不平衡音頻輸出最常見(jiàn)于低成本消費類(lèi)應用和信號處理單元。它們也可以用于使用短電纜的儀器的信號鏈中。在專(zhuān)業(yè)工作室和任何需要使用長(cháng)電纜的地方都可以找到平衡音頻輸出。非平衡電纜的最大長(cháng)度限制在 10 英尺左右，而平衡電纜最長(cháng)可達 1000 英尺。超過(guò)這些限制，噪聲的影響將顯著(zhù)降低信號完整性。

當然，如有必要，將信號從平衡轉換為非平衡（反之亦然）相對簡(jiǎn)單，如果需要，可以使用現成的組件來(lái)執行此操作。

概括

有多種類(lèi)型的麥克風(fēng)可供選擇，哪一種適合您的應用取決于許多因素。需要考慮的是麥克風(fēng)在什么環(huán)境下工作。它可以安裝在您設備上的 PCB 上，還是需要遠程定位？麥克風(fēng)可以使用什么電源？可以由設備提供，還是需要自己提供？環(huán)境中會(huì )出現何種程度的干擾，消除處理信號的干擾有多重要？

動(dòng)圈麥克風(fēng)提供高質(zhì)量的聲音捕獲，但對于大多數嵌入式設備來(lái)說(shuō)往往太大。碳麥克風(fēng)在非常低的電壓下工作，并且有一些小眾應用，但越來(lái)越不常見(jiàn)且難以采購。駐極體麥克風(fēng)結構緊湊、經(jīng)濟高效，并提供多種封裝選項。

MEMS 麥克風(fēng)無(wú)疑是最受歡迎的，尤其是當它們需要集成到 PCB 設計中時(shí)。它們體積小、耐電噪聲，并且對聲音更敏感。這使它們成為移動(dòng)電話(huà)和類(lèi)似應用的理想選擇?？偟膩?lái)說(shuō)，數字 MEMS 麥克風(fēng)更受歡迎，因為它們對干擾的敏感度低于模擬等效麥克風(fēng)。這些為 PCB 上的放置選項提供了最佳靈活性，并簡(jiǎn)化了與處理組件的接口。數字選項還使多個(gè)麥克風(fēng)信號的處理變得簡(jiǎn)單，提供串行通信鏈接，可以直接將多個(gè)信號集成到單個(gè)數據流中。

但是，如果不需要數字信號處理，只要電路板設計能夠正確降低噪聲和干擾影響，帶有簡(jiǎn)單模擬濾波和信號整形電路的模擬 MEMS 麥克風(fēng)將提供最佳解決方案。