【導讀】麥克風已經是眾多電子產品中內置的標準器件，從可穿戴設備到家庭助理，越來越多的設備被要求“聽到”它們的環境，并隨之做出相對的反應。本文將全面概述麥克風類型和基本原理，以及CUI Devices微機電系統（MEMS）麥克風的產品特性。
ECM和MEMS麥克風的技術差異
隨著麥克風應用的增加，對麥克風的靈敏度和體積的要求也越來越高。目前用來構建麥克風的兩種最常見的技術是MEMS和駐極體電容，以下將先介紹MEMS和駐極體電容麥克風（ECM）的基礎知識，比較技術之間的差異，并概述每種解決方案的優勢。
MEMS麥克風由放置在印刷電路板（PCB）上，并用機械蓋保護的MEMS組件構成。其在外殼上制造了一個小孔，以允許聲音進入麥克風，如果開孔在頂蓋中，則指定為頂部端口；如果開孔在PCB中，則指定為底部端口。MEMS組件通常設計有機械隔膜和在半導體芯片上創建的安裝結構。
MEMS隔膜形成一個電容器，聲壓波引起隔膜的運動。MEMS麥克風通常包含第二個半導體芯片，該芯片用作音頻前置放大器，將MEMS的變化電容轉換為電信號。如果需要模擬輸出信號，則將音頻前置放大器的輸出提供給用戶。如果需要數字輸出信號，則模數轉換器（ADC）將包含在與音頻前置放大器相同的芯片上。用于MEMS麥克風中的數字編碼常用格式是脈沖密度調制（PDM），它允許僅與時鐘和單條數據線進行通信。由于數據的單比特編碼，簡化了接收器處的數字信號解碼。數字I2S輸出是第三種選擇，包括一個內部抽取濾波器，它允許在麥克風本身中完成處理。這意味著麥克風可以直接連接到數字信號處理器（DSP）或微控制器，從而在許多應用中無需ADC或編解碼器。
ECM包含有一個駐極體隔膜（具有固定表面電荷的材料）隔開與靠近導電板，與MEMS麥克風類似，形成一個電容器，其中氣隙作為電介質。由于聲壓波移動駐極體膜片，電容器兩端的電壓隨著電容值的變化而變化，電容電壓變化由麥克風外殼內部的JFET放大和緩沖。JFET通常配置為共源配置，而外部應用電路中使用外部負載電阻和隔直電容。
ECM和MEMS麥克風各具優勢
在ECM和MEMS麥克風之間進行選擇時需要考慮很多因素，由于MEMS這種新技術提供的許多優勢，MEMS麥克風的市場份額繼續快速增長。例如，空間受限的應用會對MEMS麥克風的小封裝尺寸很具有吸引力，而由于MEMS麥克風結構中包含模擬和數字電路，可以減少PCB面積和組件成本。模擬MEMS麥克風的輸出阻抗相對較低，而數字MEMS麥克風的輸出非常適合電噪聲環境中的應用。在高振動環境中，使用MEMS麥克風技術可以降低由機械振動引入的不需要的噪聲水平。此外，半導體制造技術和音頻前置放大器的加入，使制造具有緊密匹配和溫度穩定性能特性的MEMS麥克風成為可能。當MEMS麥克風用于陣列應用時，這些嚴格的性能特征尤其有益。在產品制造過程中，MEMS麥克風也可以通過拾放機輕松處理，并且可以承受回流焊接溫度曲線。
盡管MEMS麥克風正在迅速普及，但仍有一些應用可能首選ECM。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、SMT、焊盤和彈簧觸點，為工程師提供了額外的設計靈活性。如果防塵和防潮是一個問題，很容易找到具有高防護（IP）等級的ECM產品，因為它們的物理尺寸較大。對于需要非均勻空間靈敏度的項目，ECM產品可提供具有內在方向性的單向或噪聲消除，而ECM的寬工作電壓范圍，可能是具有松散調節電壓軌產品的首選解決方案。
PDM和I2S協議的特性各有不同
除了顯著減小的占位面積、更低的功率要求和更大的電噪聲抑制之外，MEMS麥克風的主要優點之一是增加了輸出選項，為設計人員和工程師提供了更大的靈活性。雖然模擬選項仍然可用，但兩種流行的輸出選項是PDM和I2S的數字協議。這些接口各有其獨特的特點，需要考慮的關鍵因素包括音頻質量等級、功耗水平、物料清單成本、設計必須遵守的空間限制，以及將部署硬件的操作環境。
PDM用于將模擬信號電壓轉換為單位脈沖密度調制數字流，PDM信號看起來更類似于縱波，而不是與音頻相關的典型橫波，但它們是模擬信號的數字表示，這產生的信號具有數字信號的許多優點，同時仍與模擬信號直接相關。創建此PDM信號需要比通常更高的采樣率（高于3 MHz的速率），因為數字脈沖的出現頻率，必須比它們所代表的模擬信號的振蕩頻率高很多倍。
由于信號的數字特性，PDM比模擬信號更能適應電噪聲環境，并且在信號劣化時具有更高的誤碼容限。高頻信號確實會產生距離限制，因為較長傳輸線上的電容會增加，可能會導致不必要的衰減并伴隨音頻質量下降。這些信號還需要由具有適當編解碼器的外部DSP或微控制器進一步處理，以通過低通濾波器運行PDM信號，以將其抽取或下采樣到較低的采樣率，從而使其可用于其他器件。
與PDM不同，I2S是完全數字信號，不需要編碼或解碼，且沒有普遍要求的數據傳輸速度，但是，最低速度取決于正在傳輸的數據及其精度。如果音頻采樣率是44.1 kHz的行業標準，精度為8位，那么單聲道通道將需要至少352.8 kHz的時鐘速度。立體聲應用將是705.6 kHz的兩倍，精度的任何變化也會改變最小傳輸帶寬。
PDM提供更好的抗噪性和誤碼容限，可以使其對許多優先考慮音頻質量的應用具有吸引力。相比之下，I2S更易于安裝、可減少整體占用空間和減少組件數量，在產品尺寸或其價格標簽被證明是主要關注點的情況下將具有優勢。還應該注意的是，I2S接口將在更長的距離上提供更好的信號完整性，因此它也適用于麥克風和處理電路在電路板上不能彼此靠近的情況。
提供多樣化的MEMS麥克風選擇性
MEMS麥克風在現代電子設計中變得司空見慣，擁有最佳接口至關重要。在決定哪個接口將可優化您的特定應用場景時，需要考慮許多因素。PDM可以成為具有挑戰性的應用環境中的理想選擇，這要歸功于其固有的抗噪聲能力。相反的，采用I2S允許輸入直接連接到其隨附的DSP或其他處理器／控制器器件，而不會產生任何額外的復雜性。
CUI Devices擁有廣泛的MEMS麥克風產品組合，可滿足各種音頻系統要求。除了模擬接口單元外，各種PDM和I2S數字接口麥克風也一應俱全。CUI Devices的MEMS麥克風采用小至2.75 x 1.85 x 0.90 mm的緊湊、薄型封裝，可為用戶提供更好的音頻質量和性能。這些MEMS麥克風的靈敏度等級為-42 dB至-26 dB，信噪比為57 dBA至65 dBA，靈敏度容差低至±1 dB，是一系列便攜式消費電子應用的理想選擇。為了更輕松地進行原型設計和設計測試，CUI Devices還提供了一個MEMS麥克風開發套件，其中包含四個獨立的麥克風評估電路。
CUI Devices的MEMS麥克風具備頂部和底部端口版本、模擬和數字選項，以及-42 dB至-26 dB的靈敏度等級，電流消耗低至80 μA，您可至以下網址尋找最適合您需求的MEMS麥克風：
https://www.arrow.com/zh-cn/manufacturers/cui-devices/audio-components/microphones?promoGroupLevel=main&filters=Technology:MEMS。
結語
MEMS麥克風具備體積小、抗噪能力強等優勢，是許多消費應用產品的首選，CUI Devices提供不同靈敏度、接口等產品類型，并提供完整的設計資源，能夠幫助客戶快速開發出相應的產品，值得您進一步了解與采用。
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