為嵌入式應用選擇合適的麥克風

2021-09-25

為嵌入式應用選擇合適的麥克風

如果您需要捕獲聲波以供電子設備處理，則需要麥克風。然而，如今的麥克風已經變得非常先進，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。它們的范圍從相對簡單和流行的電容式麥克風到包含內部放大器和其他電子處理功能的最先進的聲音轉換解決方案。

動圈話筒

動圈話筒僅由塑料振膜、音圈和永磁體組成。它的工作原理與螺線管相同，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圍（或內部）。當交替的聲壓波施加到振膜時，這會移動振膜，從而移動音圈，從而使其交替響應。由于音圈通過磁鐵的磁場加速，因此在音圈的輸出引線上會產生感應電壓。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，使信號能夠驅動更大的負載。

還提供動態麥克風，在設備主體內裝有一個內部變壓器。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選項之間切換。

動圈話筒非常堅固，提供平滑和擴展的頻率響應，同時不需要外部電源來驅動它們。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。動圈麥克風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

碳麥克風包含碳顆粒，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，當交替的聲波通過改變壓縮壓力來改變電阻時，將聲音轉換為電信號。

這是一種非常古老的麥克風類型，在早期的電話系統中采用，不再普遍使用。

與其他麥克風設計相比，碳麥克風的主要優勢在于它們可以從非常低的直流電壓產生高電平音頻信號，而無需任何形式的額外放大或電池。碳麥克風通過使用電源提供功率增益。這可以通過串聯連接電池、麥克風和耳機來輕松演示。如果麥克風和耳機靠得很近，系統中的反饋會導致耳機振蕩。這只有在環路周圍的功率增益大于 1 時才有可能。麥克風的低電壓性能在電話線很長的偏遠地區特別有用。電線的電阻會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變得無效。相比之下，當電源電壓降至幾分之一伏時，基于碳麥克風的電話將繼續工作。

碳麥克風廣泛用于對安全至關重要的電話應用，例如采礦和化學制造行業。由于存在火花風險和隨后的爆炸風險，因此不能使用更高的線電壓。碳基電話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生的電磁脈沖產生的高壓瞬變。這使它們成為關鍵軍事設施和易受雷擊的建筑物周圍的備用通信系統的理想選擇。

電容話筒

電容式麥克風是一種麥克風，由一對帶電板組成，這些帶電板可以通過聲波引起的氣壓變化來靠近或遠離。實際上，這些板就像一個聲音敏感的電容器。

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，用作麥克風的接地。

電容話筒內置了操作此類話筒所需的集成放大器。需要一個極低噪聲、高阻抗的放大器，以提供低輸出阻抗。如果沒有放大器，麥克風的輸出信號會太低而無法使用。由于麥克風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的偏置電壓和電流要求。

駐極體麥克風

駐極體麥克風之所以如此命名，是因為它使用靜電和磁性特性來發揮作用。它也可以稱為 ECM 麥克風。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穩定性，駐極體的使用壽命不會受到其性能的任何衰減或退化的影響。駐極體通常是通過熔化合適的介電材料，如塑料或蠟（含有極性分子），然后在強靜電場中重新固化而制成的。電介質的極化分子將自身與靜電場的方向對齊，從而產生永久的靜電偏置?，F代駐極體麥克風使用薄膜或溶質形式的 PTFE 來制造駐極體。

駐極體麥克風的工作方式與電容式麥克風相同，利用帶靜電的材料作為電容板。不同的是，這種類型的麥克風通過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點是它們是成本相對較低的組件，有多種尺寸可供選擇，通過低噪聲 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、引腳、表面貼裝或引線進行連接。

主要缺點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

MEMS（微機電系統）型麥克風正在成為市場上最常見的類型，并正在取代駐極體的普及。

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

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

MEMS麥克風的主要優點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。MEMS 麥克風還可以在更高的溫度范圍內工作，并在整個范圍內具有更好的性能。由硅或壓電材料制成的基本 MEMS 麥克風的工作溫度范圍通常為 -40oC 至 +85oC。基本駐極體麥克風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 麥克風在該范圍內具有較低的靈敏度變化。MEMS 麥克風通常具有 +/- 0.5 dB，而駐極體麥克風在其較小的范圍內通常具有 +/- 4 dB。主要原因是 MEMS 麥克風振膜比等效駐極體元件小得多，在振動靈敏度方面提供多達 12 dB 的優勢。

MEMS 麥克風有不同的變體，讓我們更詳細地探討一下這些選項。

模擬 MEMS 麥克風

模擬MEMS麥克風顧名思義，輸出模擬信號。大多數模擬 MEMS 麥克風都有一個內部放大器，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 麥克風采用隔直流電容器，無需主機電路來匹配 MEMS 麥克風的直流輸出電壓。模擬 MEMS 麥克風也有偏置，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。在為該設備實現接口電路時，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

數字 MEMS 麥克風是一種 MEMS 麥克風，其數字輸出使用與前置放大器集成的 ADC 生成。這具有簡化與微處理器和微控制器的集成的優點，無需單獨的 ADC，也無需在組件之間的 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 麥克風也有一些有用的功能。改變 MEMS 數字麥克風的時鐘速度將改變其電源模式。通常，它們包括低功耗模式 (LPM)，使麥克風能夠在始終開啟的聆聽模式下使用，以進行關鍵字識別和環境聲音分析。在此模式下，麥克風將消耗最少的電流，同時保持高電聲性能。

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

數字 PDM MEMS 麥克風

數字 MEMS 麥克風的 PDM 變體使用脈沖密度調制 (PDM) 技術添加單個數字流，以簡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單的硬件接口。

下圖顯示了如何使用共享時鐘和數據線將兩個麥克風連接到主機電路。在實現立體聲麥克風時經常采用這種配置。

MEMS 與 ECM 麥克風

在 ECM 和 MEMS 麥克風之間進行選擇時，需要考慮多種因素。由于這種新技術提供了許多優勢，MEMS 麥克風的市場份額不斷增加。例如，空間受限的應用會發現可用于 MEMS 麥克風的小封裝尺寸很有吸引力。同時，由于 MEMS 麥克風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 麥克風相對較低的輸出阻抗和數字 MEMS 麥克風的輸出非常適用于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機械振動引入的有害噪音水平。

此外，半導體制造技術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。當 MEMS 麥克風用于陣列應用時，這些嚴格的性能特性尤其有益。在產品制造過程中，MEMS 麥克風還可以通過貼裝機輕松處理并耐受回流焊接溫度曲線。

盡管 MEMS 麥克風越來越受歡迎，但仍有一些應用可能更喜歡使用駐極體電容麥克風。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，為設計工程師提供了額外的靈活性。如果防塵和防潮是一個問題，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 產品。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特定降噪功能。

數字 I2S 麥克風

I2S（Inter-IC Sound）是一種串行總線協議接口標準，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，以進行 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。它使用兩條時鐘線（SCK 和 WS）和一條數據線（SD）。

通信以數據位流的形式實現，WS 時鐘信號表示傳輸開始，SCK 時鐘信號表示每個數據位。數據首先發送最高有效位 (MSB)。該實現允許 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處理。如果接收器期望 16 位并收到 32 位，則它只會忽略最后 16 位。另一方面，如果它需要 32 位并且只接收 16 位，它只會將最低有效位設置為零。

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

主要優點是只要 MCU 支持 I2S 協議，這種類型的數字 MEMS 麥克風輸出就可以使用三根線連接到 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慣，并且與單獨處理兩個信號相比，使用一個處理設備管理立體聲信號具有顯著優勢。

串行音頻接口由兩個控制時鐘、左/右和串行時鐘以及串行音頻數據線組成。左/右時鐘標識當前正在傳輸哪個通道，而串行時鐘啟用解碼該通道中的數據。缺點是由于共享帶寬，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聽力范圍內，該范圍具有相對適中的值上限。

TDM 音頻接口

TDM（時分復用）音頻接口允許在單條數據線上傳輸多個音頻數據通道。如果需要由單個控制器處理以低數據速率發送信息的多個數字麥克風，則非常有用。TDM 接口類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）。這對于具有環繞聲功能或專業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 接口由兩個控制時鐘、一個幀同步脈沖 (FSYNC) 和一個串行時鐘 (SCLK) 以及串行音頻數據線 (SDATA) 組成。

FSYNC 時鐘標識第一個通道傳輸的開始，而串行時鐘對該通道中的數據進行解碼。

平衡輸出與非平衡輸出

設計人員要考慮的另一個因素是麥克風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，平衡信號有兩個音頻信號輸出，一個為正，另一個為負。這種技術的操作與差分對布線相同；任何存在的干擾都會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于低成本消費類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。在專業工作室和任何需要使用長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度限制在 10 英尺左右，而平衡電纜最長可達 1000 英尺。超過這些限制，噪聲的影響將顯著降低信號完整性。

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

概括

有多種類型的麥克風可供選擇，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在什么環境下工作。它可以安裝在您設備上的 PCB 上，還是需要遠程定位？麥克風可以使用什么電源？可以由設備提供，還是需要自己提供？環境中會出現何種程度的干擾，消除處理信號的干擾有多重要？

動圈麥克風提供高質量的聲音捕獲，但對于大多數嵌入式設備來說往往太大。碳麥克風在非常低的電壓下工作，并且有一些小眾應用，但越來越不常見且難以采購。駐極體麥克風結構緊湊、經濟高效，并提供多種封裝選項。

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

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，帶有簡單模擬濾波和信號整形電路的模擬 MEMS 麥克風將提供最佳解決方案。