智能手機(jī)和平板電腦等設(shè)備的所有者們總是希望能夠以新的方式使用他們的設(shè)備，同時(shí)期望極高的性能。板載音頻功能是一個(gè)典型的例子。人們希望能夠記錄社會(huì)事件、音樂(lè)表現(xiàn)，并期待精準(zhǔn)、逼真的播放，或享受無(wú)背景噪音的高語(yǔ)音通話質(zhì)量，即使在戶(hù)外或在車(chē)上。還希望在進(jìn)一步捕捉麥克風(fēng)的聲音時(shí)有好的音頻質(zhì)量。

這些趨勢(shì)需要更高性能的麥克風(fēng)，一些手機(jī)通過(guò)使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的麥克風(fēng)還具有噪聲消除或視頻模式下的3D聲音。此外，對(duì)用戶(hù)聲音作出反應(yīng)的智能數(shù)字助理的出現(xiàn)正改變?nèi)藗兣c計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的方式，可以推動(dòng)高性能的音頻子系統(tǒng)到更多的產(chǎn)品， 如可穿戴和未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備。

因此，對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）麥克風(fēng)的需求越來(lái)越多，MEMS可以在緊湊的尺寸內(nèi)為麥克風(fēng)提供高性能和保真度及可靠性，適用于便攜式設(shè)備。根據(jù)市場(chǎng)研究公司IHS Technology預(yù)測(cè)，MEMS麥克風(fēng)的出貨量將會(huì)在2019年超過(guò)60億顆。

1 MEMS麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)和工作模式概述

MEMS麥克風(fēng)含有一個(gè)可移動(dòng)的膜片和靜態(tài)背板，采用常見(jiàn)的包括沉積和選擇性蝕刻的工藝制作在硅晶圓基板上。背板有穿孔，允許空氣流通而不引起偏離。膜片的設(shè)計(jì)是為了適應(yīng)聲波引起的氣壓變化。而彎曲造成膜片相對(duì)背板移動(dòng)，產(chǎn)生一定比例的電容變化。與MEMS換能器共同封裝的一個(gè)配套IC將此電容變化轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬或數(shù)字格式的電信號(hào)。

市場(chǎng)上有模擬和數(shù)字輸出兩種MEMS麥克風(fēng)。模擬麥克風(fēng)基本上包含MEMS換能器和配套的模擬放大器集成電路（IC），是一種用于小型手持設(shè)備的流行方案，如功能手機(jī)和入門(mén)級(jí)到中檔智能手機(jī)。

2 數(shù)字化

集成模擬調(diào)節(jié)信號(hào)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的數(shù)字麥克風(fēng)通常是PC和高端智能手機(jī)的首選設(shè)備。數(shù)字技術(shù)利用固有的更高射頻和抗電磁干擾（EMI），實(shí)現(xiàn)更佳的音頻性能， 如圖1所示。此外，電路設(shè)計(jì)和電路板布局可以簡(jiǎn)化，從而在無(wú)需修改電阻和電容值情況下，更易于改變?cè)O(shè)計(jì)。

圖1 展示數(shù)字化改進(jìn)抗噪性

大多數(shù)的數(shù)字麥克風(fēng)含有時(shí)鐘輸入和L/R控制的輸入。時(shí)鐘輸入用來(lái)控制ΔΣ調(diào)制器，將傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖密度調(diào)制（PDM）信號(hào)。典型的時(shí)鐘頻率范圍從1MHz至3.5MHz。麥克風(fēng)的輸出被驅(qū)動(dòng)到所選擇的時(shí)鐘沿的適當(dāng)水平，然后進(jìn)入一個(gè)高阻抗?fàn)顟B(tài)的時(shí)鐘周期的另一半。這令兩個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)輸出能共享單條數(shù)據(jù)線（圖2）。L/R輸入確定有效數(shù)據(jù)的時(shí)鐘沿。

圖2 數(shù)字麥克風(fēng)可減少傳輸線數(shù)量

數(shù)字MEMS麥克風(fēng)具有高抗噪性和簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于多麥克風(fēng)陣列以產(chǎn)生回響和消除噪聲，以及波束形成，以實(shí)現(xiàn)定向靈敏度。為了在智能手機(jī)中實(shí)現(xiàn)噪聲消除，一種常見(jiàn)的方法是在遠(yuǎn)離主語(yǔ)音麥克風(fēng)處放置一個(gè)或多個(gè)額外麥克風(fēng)，例如在外殼上邊緣或背面，以檢測(cè)來(lái)自周?chē)h(huán)境的噪聲，從語(yǔ)音麥克風(fēng)的輸出中減去，以幫助提高通話質(zhì)量。降噪麥克風(fēng)也經(jīng)常用于視頻錄制模式。

波束形成使用兩個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)陣列。雖然大多數(shù)麥克風(fēng)有全向靈敏度，但一些應(yīng)用可得益于在一個(gè)特定的方向增加的靈敏度或其他方向降低的敏感度；例如在電話會(huì)議或行車(chē)通話的情況下提高音頻質(zhì)量和清晰度。波束形成通過(guò)應(yīng)用數(shù)字算法到陣列中的麥克風(fēng)輸出，根據(jù)從不同方向到達(dá)的聲音的相位差，使這成為可能。另外， 波束成形還可確定一個(gè)特定的聲音傳來(lái)的方向。

3 專(zhuān)用集成電路（ASIC）設(shè)計(jì)

麥克風(fēng)模塊制造商通過(guò)選擇合適的MEMS麥克風(fēng)套件區(qū)分他們的產(chǎn)品， 其中結(jié)合了一對(duì)優(yōu)化的MEMS傳感器和ASIC。

圖3 麥克風(fēng)專(zhuān)家選擇合適的MEMS麥克風(fēng)套件

安森美半導(dǎo)體可以集成由獨(dú)立的MEMS供應(yīng)商制造的各種MEMS換能器。 例如LC706200數(shù)字IC系列，除了集成模擬放大器和低通濾波器，還集成了前饋deltasigma ADC，以及一個(gè)為MEMS換能器提供工作電壓電荷泵，如圖4所示。

圖4 一個(gè)前饋delta-sigma ADC實(shí)現(xiàn)一個(gè)集成數(shù)字輸出的小占位麥克風(fēng)

安森美半導(dǎo)體的數(shù)字ASIC滿(mǎn)足關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)，可以幫助當(dāng)下MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)人員克服所面臨的挑戰(zhàn)。其中，高信噪比（SNR）是必需的，以在麥克風(fēng)用于更大的距離時(shí)支持清晰的性能，以及用于通常更清晰的音頻捕獲。特別地，自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別算法依賴(lài)于高信噪比，以達(dá)到良好的文字準(zhǔn)確率。現(xiàn)在需要信噪比大于64dB的ASIC，輔以由MEMS工程師實(shí)現(xiàn)的進(jìn)展以?xún)?yōu)化換能器的特點(diǎn)。

隨著終端用戶(hù)在日益增多的各種用例下對(duì)智能手機(jī)等設(shè)備更好的效果的渴求，需要麥克風(fēng)可以在嘈雜的環(huán)境中無(wú)失真地運(yùn)行，以達(dá)到高的聲壓級(jí)（SPL）。例如，支持社交用戶(hù)進(jìn)行高品質(zhì)的記錄以捕獲他們?cè)谝魳?lè)節(jié)的體驗(yàn)。

4 用于未來(lái)的獨(dú)立語(yǔ)音指令的數(shù)字MEMS麥克風(fēng)

由于語(yǔ)音識(shí)別引擎和強(qiáng)大的語(yǔ)音助手，如Siri、“OK Google”和亞馬遜Echo，在物聯(lián)網(wǎng)和便攜式設(shè)備領(lǐng)域，對(duì)語(yǔ)音指令功能有高要求。目前的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)通常一直執(zhí)行，因?yàn)樗鼈兿牧讼喈?dāng)大的功耗去聆聽(tīng)和識(shí)別語(yǔ)音。未來(lái)的語(yǔ)音指令功能將有望獨(dú)立工作，并在由語(yǔ)音激活時(shí)打開(kāi)。低功耗數(shù)字MEMS麥克風(fēng)技術(shù)將適用于未來(lái)獨(dú)立的語(yǔ)音觸發(fā)方案，可相對(duì)容易地被添加到現(xiàn)有的設(shè)計(jì)中。

如噪聲消除和波束形成等算法，分析來(lái)自多個(gè)麥克風(fēng)的信號(hào)，需要依靠近似匹配陣列中個(gè)別麥克風(fēng)的靈敏度，理想值在+/-1dB以?xún)?nèi)。雖然篩選或分級(jí)是一個(gè)潛在的方案，麥克風(fēng)設(shè)計(jì)人員正在尋找ASIC以提供可調(diào)增益，在MEMS制造中實(shí)現(xiàn)工藝相關(guān)變化的調(diào)整。

5 結(jié)論

人們使用電腦和智能設(shè)備的方式的變化，推動(dòng)對(duì)高性能MEMS麥克風(fēng)的需求。 當(dāng)前市場(chǎng)上的數(shù)字ASIC能夠最大化麥克風(fēng)開(kāi)發(fā)人員的自由，以提供同類(lèi)最佳的產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足這些需求。