近年來隨著麥克風技術(shù)及小信號模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，使駐極體電容式麥克風(ECM)可以增加數(shù)字音頻輸出，從而為麥克風這種電子產(chǎn)品的應用開創(chuàng)了一個新的局面。一直以來，ECM麥克風廠商都在致力于提高產(chǎn)品的敏感度，信噪比和回流焊接等性能，麥克風模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，尤其是應用于微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風的轉(zhuǎn)換芯片的推出正在極大整體提高上述麥克風性能。
隨著飛兆半導體等一大批知名半導體公司的加入及推出ECM和MEMS麥克風模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，令過去數(shù)十年來普遍采用的結(jié)型場效應晶體管(JFET)逐漸被淘汰，也令這個市場出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)變，為麥克風添加數(shù)字輸出功能將會是放大器技術(shù)的目前的重要發(fā)展，這種新技術(shù)適用于移動電話、筆記型電腦以及其他便攜式麥克風應用設備。
MEMS麥克風是通過微機電技術(shù)在半導體上蝕刻壓力感測膜片而制成的微型麥克風, 隨著MEMS產(chǎn)品愈來愈便宜，且數(shù)量不斷增加，以及硅晶麥克風在外形尺寸、可擴展性和聲音品質(zhì)等方面也大大超過傳統(tǒng)麥克風。與此同時，在噪音消除、波束成形等應用方面，MEMS也具有可簡化設計的特性，預計全球MEMS麥克風將保持平均25%以上的年成長率，到2013年可達11億支(見下圖1)的年出貨規(guī)模。這也意味著數(shù)字麥克風轉(zhuǎn)換芯片市場將有年超過一億美金的規(guī)模。
圖1
基于此，飛兆半導體作為模擬技術(shù)行業(yè)領(lǐng)導者正在推出高性能的ECM麥克風數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片及正在戰(zhàn)略進入完整MEMS數(shù)字麥克風方案及噪音消除系統(tǒng)領(lǐng)域。
正因為這個行業(yè)如此重要及充滿希望，為了幫助讀者加深技術(shù)認識、提高產(chǎn)品應用能力及加強對飛兆半導體產(chǎn)品的印象，作者基于我們麥克風產(chǎn)品參數(shù)對大家做個基本介紹。
參看下圖2，數(shù)字麥克風的基本架構(gòu)是以駐極體隔膜或MEMS基礎(chǔ)來構(gòu)成聲壓到電壓的轉(zhuǎn)換部分，然后內(nèi)部集成極低噪聲的電壓信號運算放大器，高性能Σ • Δ模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換器以及基于脈沖密度調(diào)制輸出的數(shù)字接口，并支持立體聲或者時分復用。
圖2
當然，更重要的是數(shù)字麥克風產(chǎn)品需要滿足苛刻的性能指標，飛兆半導體以向產(chǎn)業(yè)界提供高性能模擬產(chǎn)品為己任，并正在提供如下優(yōu)異的產(chǎn)品指標：
輸入聲壓級 94dB SPL即– 26dBFS時，信噪比(SNR)為60-62dBc(A).
PGA + ADC 綜合底噪為6.3 µVRMS ，單純PGA底噪為3.2 µVRMS .
輸入聲壓級 94dB SPL即– 26dBFS時，總諧波失真(THD)<0.04%.
在不影響總諧波失真(THD)的情況下，設計最大輸入信號為: 710 mVP-P.
針對聲電轉(zhuǎn)換敏感度-42到-38dBV/Pa的麥克風增益12，14，16dB可選.
芯片工作電流 ≤ 450 µA.
下面作者就麥克風產(chǎn)品中上述部分參數(shù)進行闡述，在聲學設備應用中，我們引入了聲壓級(SPL: sound pressure level)這個氣壓相對參數(shù)來表征聲音的大小，聲壓Lp是以20微帕斯卡(uPascal)為基準來表征聲音壓強大小的對數(shù)結(jié)果。
因此，1帕斯卡大小有效聲壓對應的聲壓級就是大約94dB SPL.
即Lp(1Pascal)=20log10(1 Pa/20 µPa) = 93.97 dB(SPL) ≈ 94 dB(SPL).
然后，我們知道典型的ECM麥克風的靈敏度是-42到-38dBV/Pa，也就是說通常麥克風拾音前端接收到1帕斯卡的音壓會產(chǎn)生-42到-38dBV的平均電壓波動輸出到放大前端，dBV為即以1Vrms(有效電壓或說電壓均方根值)做為基準來表征麥克風轉(zhuǎn)化得到的電壓輸入大小。所以,-42dBV=7.9mVRMS=22.4mVP-P，由此,120dB SPL
聲壓被麥克風前端吸收將會產(chǎn)生 120dBSPL–94dBPa/SPL–42dBV/Pa=-16dBV 電壓或者說158.5mVRMS,同時，我們在麥克風指標中也提到了dBFS,所謂dBFS就是ADC輸入電壓相對ADC參考電壓的對數(shù)表示即：20*log10(VIN * AV / VREF)=dBFS，我們稱之為分數(shù)全刻度(Fractional Full Scale),通常我們把麥克風前端聲壓輸入為120dB SPL時對應設置Av(放大器增益)和VREF來使VIN * AV / VREF=1，當然這些Av和VREF一般來說已經(jīng)在芯片內(nèi)部配置完成，所以，對于此給定設置的芯片，0dBFS對應120dB SPL, -26dBFS也就對應94dB SPL了。最后，我們來談談信噪比和噪聲的計算，信噪比通常用dBc或者dB來表示，c代表載波(carrier),所以一般表征以噪聲為基準的信號對數(shù)強度時候我們可用dBc,上文提及產(chǎn)品輸入聲壓級 94dB SPL即– 26dBFS時，信噪比為62dBc(A)，也就是說120dB SPL即0dBFS時，信噪比為88dBc(A)，32dB SPL即– 88dBFS時，信噪比(SNR)為0dBc即有效信號與噪聲強度完全相等，所以產(chǎn)品系統(tǒng)底噪(Noise Floor)=32dB(SPL),對應噪聲電壓=32dBSPL–94dBPA/SPL–42dBV/Pa=-104 dBV=6.3 µVRMS。同時也可知本數(shù)字麥克風芯片的輸入動態(tài)范圍為32-120dB(SPL)。
總的來說，通過對本文的理解，讀者可以了解到，為滿足用戶對在移動設備上獲得更好的聽覺體驗的廣泛需求，新的高性能數(shù)字麥克風正在有助于目標應用大幅提升音質(zhì)，甚至提供噪聲確定和過濾等更多功能，譬如整合多個數(shù)字麥克風來實現(xiàn)噪聲抑制和方向性拾聲。隨著便攜式設備在大噪聲的環(huán)境中的使用率不斷提高以及提升手機通話以及多方通話的音質(zhì)的迫切需求，數(shù)字麥克風必將全面盛行。