MEMS麦克风的基本原理教学教材

• 大多数MEMS麦克风的灵敏度随频率升高而 提高，这是声孔的空气与麦克风前室的空
气相互作用的结果。这种交互作用产生了 Helmholtz谐振，这与吹瓶产生的声音的现 象相同。像吹瓶子一样，空气容积越小，
谐振频率越高；反之，空气容积越大，谐 振频率越低。下置声孔麦克风将声学传感
器直接置于声孔之上，这样设计导致前室 变小，从而导致Helmholtz谐振的中心频率 提高。因为Helmholtz谐振通常位于音频带 的高频部分，所以提高的谐振频率使频响 变得更加平坦。
•背景噪声不总是出现在麦克风数据表内，但是，只要用灵敏度减去信噪比即可算出背景噪声，数值单位为dBV或dB FS。 从测量灵敏度（通常是94 dB SPL）的声压级中减去信噪比，可以算出用等效输入噪声表示的背景噪声，单位为dB SPL。
•失真(THD)
•失真是测量麦克风拾音精度的指标。失真的条件通常是在94 dB – 100 dB SPL范围内，表示在正常声压级条件下音频信号 的质量。
• 除输出、地和VDD引脚外，大多数数字麦克风还有时钟输入和L/R控制输入。时钟输入用于控制Δ-Σ 调制器，将传感器的模拟信号转换成PDM数字信号。数字麦克风的典型时钟频率通常在1MHz至 3.5MHz之间。麦克风输出信号在所选时钟边沿进入适合的逻辑状态，在另半个时钟周期进入高阻抗 状态。这个两个数字麦克风的输入共用一条数据线。L/R输入确定有效数据是在哪一个时钟边沿上。
• 顾名思义，数字MEMS麦克风的输出为数字信号，可在高低逻辑电平之间转换。大多数数字麦克风 采用脉冲密度调制技术 (PDM)，生成过采样率较高的单个比特的数据流。脉冲密度调制麦克风的脉 冲密度与瞬间空气压力级成正比。脉冲密度调制技术与D类功放所用的脉宽调制（PWM）技术相似， 不同之处是，脉宽调制技术的脉冲间隔时间是定量，使用脉宽给信号编码，而脉冲密度调制则相反， 脉宽是定量，使用脉冲间隔时间给信号编码。
•Hale Waihona Puke Baidu噪比(SNR)
•信噪比(SNR)通常是最重要的麦克风性能指标。信噪比是麦克风的灵敏度与背景噪声的差值，通常用dB表示。现有MEMS 麦克风的信噪比是在56dB至66dB之间。
•灵敏度
•麦克风灵敏度是用于测量麦克风对已知声压级的响应能力。灵敏度通常在94dB 声压级(1 Pa)条件下使用1kHz频率进行测 量的结果。模拟麦克风的灵敏度通常表示为相对于1V RMS信号的分贝数(dBV)，而数字麦克风的灵敏度通常表示为相对于 麦克风满量程输出的分贝数(dB FS)。
MEMS麦克风的基本原理
MEMS麦克风ASIC
• 在MEMS麦克风内，ASIC芯片利用电荷泵在麦克风振膜上放置一个固定的参考电荷。当振膜运动导 致振膜与背板之间的电容量发生变化时，ASIC测量电压变化。模拟MEMS麦克风的输出电压与瞬间 气压成正比。模拟麦克风通常只有三个引脚：输出、电源电压 (VDD)和地。虽然模拟MEMS麦克风的 接口在原理上比较简单，但是，为避免在麦克风输出与信号接收芯片的输入之间出现拾起噪音，模 拟信号要求工程师必须精心设计印刷电路板和线缆。大多数应用还需要低噪音频模数转换器，把模 拟麦克风输出转换成数字格式，用于后序处理和/或传输。
• 数字麦克风输出相对来说具有较高的抗噪性，但是信号完整性却是一个令人们关心的问题，因为寄 生电容以及麦克风输出与系统芯片之间的电感导致信号失真。阻抗失匹也会产生反射问题，若数字 麦克风与系统芯片间隔较大，反射现象将会导致信号失真。
• 虽然数字麦克风不需要编解码器，但是，脉冲密度调制输出的单比特PDM格式在大多数情况下必须 转转换成多比特脉冲代码调制(PCM)格式。很多编解码器和系统芯片都有PDM输入，其内部滤波器 负责将PDM数据转换成PCM格式。微控制器也使用同步串行接口捕获数字麦克风的PDM数据流，然 后通过软件滤波器将其转换成PDM格式。
•背景噪声
•麦克风的背景噪声又称本底噪声，是指在较安静的环境内，麦克风输出中的噪声量。声学传感器和接口ASIC都会向麦克 风输出信号注入噪声。传感器噪声是空气分子随机布朗运动产生的，而ASIC的噪声源则是前置放大器，数字麦克风ASIC的 噪声源是Δ-Σ调制器。应在全音频带内测量背景噪声，而A加权滤波器用于更精确地测量人耳能够听到的噪声级。
• 为让声音能够传入声学传感器，MEMS麦克 风需要在封装上开孔。声孔位置可以在封 装盖上(上置声孔)或在焊盘附近(下置声孔)。 下置声孔麦克风还要求在电路板上的麦克 风安装位置开一个孔，让声音能够穿过电 路板传入麦克风声孔。麦克风是选用上置 声孔还是下置声孔，通常取决于多种因素， 例如，麦克风的安装位置和厂家的考虑。 性能也是麦克风选型的一个主要因素，因 为上置声孔麦克风的性能通常低于下置声
•声学过载点(AOP)
•在麦克风声压级开始接近声学过载点之前，失真通常不会随着声压级升高而大幅增加。但是，当达到过载点时，失真开 始快速升高。麦克风声学过载点通常是指失真达到10%时的声压级。
频响 MEMS麦克风频响是在不同频率时指灵敏度的变化。麦克风频响通常在1 kHz 时设为0 dB，对不同频率下 的灵敏度进行归一化处理。大多数MEMS麦克风的灵敏度都低于100Hz，在出现Helmholtz谐振后开始上 升，达到大约4kHz至6kHz之间。这就是许多MEMS麦克风将频响指定在100Hz至10kHz之间的原因。不过， 高性能的MEMS麦克风在20Hz至20kHz全音频带内拥有较平坦的频响曲线。
MEMS麦克风封装
• MEMS麦克风采用由基板和封装盖组成的空心封装，内部组件包括声学传感器 和接口ASIC。封装基板下面是焊盘，用于将麦克风焊接在电路板或挠性电路 上。在大多数MEMS麦克风的内部，MEMS声学传感器和接口ASIC是两颗独立 的芯片，为制作能够移动的结构，声学传感器的制造工艺经过优化改良，而 ASIC芯片则采用工业标准的CMOS制造工艺。ASIC通过引线键合方法连接到传 感器和基板，然后将封装盖扣在基板上并进行密封处理。
MEMS麦克风性能评测
•帕斯卡(Pa)是压力的线性国际单位制，表示单位面积上的压力(1Pa = 1N/m2)。不过，对数单位制更适用研究声压级 （SPL），因为人耳动态范围大，能够察觉从最低20微帕到高达20帕的声压。因此，麦克风的关键性能指标通常用分贝 (dB)表示，0dB SPL等于20µPa，1 Pa等于94dB SPL。下面的参数通常是最重要的麦克风性能指标：