為(wèi)嵌入式应用(yòng)选择合适的麦克风

2021-09-25

為(wèi)嵌入式应用(yòng)选择合适的麦克风

如果您需要捕获声波以供電(diàn)子设备处理(lǐ)，则需要麦克风。然而，如今的麦克风已经变得非常先进，可(kě)供选择的选项太多(duō)了。虽然它们相对较小(xiǎo)，但它们具有(yǒu)广泛的选择和技术。它们的范围从相对简单和流行的電(diàn)容式麦克风到包含内部放大器和其他(tā)電(diàn)子处理(lǐ)功能(néng)的最先进的声音转换解决方案。

动圈话筒

动圈话筒仅由塑料振膜、音圈和永磁體(tǐ)组成。它的工作原理(lǐ)与螺線(xiàn)管相同，只是反向工作。

振膜连接到音圈的一端，而音圈的另一端松散地支撑在磁铁周围（或内部）。当交替的声压波施加到振膜时，这会移动振膜，从而移动音圈，从而使其交替响应。由于音圈通过磁铁的磁场加速，因此在音圈的输出引線(xiàn)上会产生感应電(diàn)压。然后可(kě)以使用(yòng)该電(diàn)压為(wèi)最小(xiǎo)负载供電(diàn)，或者，可(kě)以使用(yòng)放大器增加其强度，使信号能(néng)够驱动更大的负载。

还提供动态麦克风，在设备主體(tǐ)内装有(yǒu)一个内部变压器。这使他(tā)们能(néng)够拥有(yǒu)高阻抗或低阻抗输出，并且他(tā)们可(kě)以在两个选项之间切换。

动圈话筒非常坚固，提供平滑和扩展的频率响应，同时不需要外部電(diàn)源来驱动它们。它们还在很(hěn)宽的温度范围内表现良好，并提供低阻抗输出。这使它们成為(wèi)适用(yòng)于广泛应用(yòng)的出色低成本解决方案。动圈麦克风通常用(yòng)于公共广播系统、高保真音响和家庭录音应用(yòng)。

碳麦克风

碳麦克风包含碳颗粒，它们共同具有(yǒu)有(yǒu)用(yòng)的特性，即颗粒两端的電(diàn)阻与施加到颗粒上的压力成正比变化。这使它们能(néng)够充当换能(néng)器，当交替的声波通过改变压缩压力来改变電(diàn)阻时，将声音转换為(wèi)電(diàn)信号。

这是一种非常古老的麦克风类型，在早期的電(diàn)话系统中采用(yòng)，不再普遍使用(yòng)。

与其他(tā)麦克风设计相比，碳麦克风的主要优势在于它们可(kě)以从非常低的直流電(diàn)压产生高電(diàn)平音频信号，而无需任何形式的额外放大或電(diàn)池。碳麦克风通过使用(yòng)電(diàn)源提供功率增益。这可(kě)以通过串联连接電(diàn)池、麦克风和耳机来轻松演示。如果麦克风和耳机靠得很(hěn)近，系统中的反馈会导致耳机振荡。这只有(yǒu)在环路周围的功率增益大于 1 时才有(yǒu)可(kě)能(néng)。麦克风的低電(diàn)压性能(néng)在電(diàn)话線(xiàn)很(hěn)長(cháng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)特别有(yǒu)用(yòng)。電(diàn)線(xiàn)的電(diàn)阻会导致严重的直流電(diàn)压下降，从而限制可(kě)用(yòng)的功率。几乎所有(yǒu)的電(diàn)子電(diàn)话都需要至少三伏直流電(diàn)才能(néng)工作，并且在这种情况下通常会变得无效。相比之下，当電(diàn)源電(diàn)压降至几分(fēn)之一伏时，基于碳麦克风的電(diàn)话将继续工作。

碳麦克风广泛用(yòng)于对安全至关重要的電(diàn)话应用(yòng)，例如采矿和化學(xué)制造行业。由于存在火花(huā)风险和随后的爆炸风险，因此不能(néng)使用(yòng)更高的線(xiàn)電(diàn)压。碳基電(diàn)话系统还可(kě)以抵抗高压瞬变造成的损坏，例如由雷击和核爆炸产生的電(diàn)磁脉冲产生的高压瞬变。这使它们成為(wèi)关键军事设施和易受雷击的建筑物(wù)周围的备用(yòng)通信系统的理(lǐ)想选择。

電(diàn)容话筒

電(diàn)容式麦克风是一种麦克风，由一对带電(diàn)板组成，这些带電(diàn)板可(kě)以通过声波引起的气压变化来靠近或遠(yuǎn)离。实际上，这些板就像一个声音敏感的電(diàn)容器。

一块板通常由柔性金属材料或金属涂层塑料制成，通过施加外部電(diàn)压源带正電(diàn)。另一块板由固定到位并接地的刚性金属材料制成，用(yòng)作麦克风的接地。

電(diàn)容话筒内置了操作此类话筒所需的集成放大器。需要一个极低噪声、高阻抗的放大器，以提供低输出阻抗。如果没有(yǒu)放大器，麦克风的输出信号会太低而无法使用(yòng)。由于麦克风需要外部電(diàn)源為(wèi)電(diàn)容板充電(diàn)，因此包含有(yǒu)源放大器電(diàn)路不会对设备施加任何额外限制。始终检查数据表以确定所选電(diàn)容式麦克风的偏置電(diàn)压和電(diàn)流要求。

驻极體(tǐ)麦克风

驻极體(tǐ)麦克风之所以如此命名，是因為(wèi)它使用(yòng)静電(diàn)和磁性特性来发挥作用(yòng)。它也可(kě)以称為(wèi) ECM 麦克风。它由稳定的介電(diàn)材料构成，具有(yǒu)永久嵌入的静電(diàn)偶极矩。由于材料的高電(diàn)阻和化學(xué)稳定性，驻极體(tǐ)的使用(yòng)寿命不会受到其性能(néng)的任何衰减或退化的影响。驻极體(tǐ)通常是通过熔化合适的介電(diàn)材料，如塑料或蜡（含有(yǒu)极性分(fēn)子），然后在强静電(diàn)场中重新(xīn)固化而制成的。電(diàn)介质的极化分(fēn)子将自身与静電(diàn)场的方向对齐，从而产生永久的静電(diàn)偏置。现代驻极體(tǐ)麦克风使用(yòng)薄膜或溶质形式的 PTFE 来制造驻极體(tǐ)。

驻极體(tǐ)麦克风的工作方式与電(diàn)容式麦克风相同，利用(yòng)带静電(diàn)的材料作為(wèi)電(diàn)容板。不同的是，这种类型的麦克风通过使用(yòng)永久带電(diàn)材料消除了对外部极化電(diàn)源的要求。它仍然需要用(yòng)于集成放大電(diàn)路的電(diàn)源，以及用(yòng)于偏置電(diàn)容器的上拉電(diàn)阻器（通常约為(wèi) 1k - 10k 欧姆）。

使用(yòng)驻极體(tǐ)的主要优点是它们是成本相对较低的组件，有(yǒu)多(duō)种尺寸可(kě)供选择，通过低噪声 JFET 缓冲器提供输出。这些器件通常以圆柱形形式提供，可(kě)选择使用(yòng)焊盘、引脚、表面贴装或引線(xiàn)进行连接。

主要缺点是它们不能(néng)回流焊接，因為(wèi)驻极體(tǐ)隔膜不能(néng)承受高温。

MEMS麦克风

MEMS（微机電(diàn)系统）型麦克风正在成為(wèi)市场上最常见的类型，并正在取代驻极體(tǐ)的普及。

它们使用(yòng)压敏隔膜进行操作，该隔膜通过 MEMS 加工技术直接蚀刻到硅晶片中，并以此命名。通常，它们将包含一个集成前置放大器作為(wèi)设备的一部分(fēn)。通常，声能(néng)由隔膜通过改变材料的電(diàn)容以与電(diàn)容和驻极體(tǐ)麦克风类型相同的方式进行转换。还有(yǒu)其他(tā)变體(tǐ)使用(yòng)压電(diàn)材料从压力变化中产生電(diàn)信号。

如上图所示，声波通过声音入口并振动传感器膜。集成的 ASIC（专用(yòng)集成電(diàn)路）检测压電(diàn)效应的電(diàn)容变化，放大该信号，并在必要时将其转换為(wèi)数字输出。

MEMS麦克风的主要优点是耐高温能(néng)力使其适合回流焊接，与同等封装尺寸的驻极體(tǐ)麦克风相比噪声性能(néng)有(yǒu)所改善，并且由于其紧凑的尺寸，性能(néng)密度明显高于驻极體(tǐ)麦克风。MEMS 麦克风还可(kě)以在更高的温度范围内工作，并在整个范围内具有(yǒu)更好的性能(néng)。由硅或压電(diàn)材料制成的基本 MEMS 麦克风的工作温度范围通常為(wèi) -40oC 至 +85oC。基本驻极體(tǐ)麦克风的工作温度范围通常為(wèi) -20oC 至 +70oC。此外，虽然具有(yǒu)更宽的工作范围，但 MEMS 麦克风在该范围内具有(yǒu)较低的灵敏度变化。MEMS 麦克风通常具有(yǒu) +/- 0.5 dB，而驻极體(tǐ)麦克风在其较小(xiǎo)的范围内通常具有(yǒu) +/- 4 dB。主要原因是 MEMS 麦克风振膜比等效驻极體(tǐ)元件小(xiǎo)得多(duō)，在振动灵敏度方面提供多(duō)达 12 dB 的优势。

MEMS 麦克风有(yǒu)不同的变體(tǐ)，让我们更详细地探讨一下这些选项。

模拟 MEMS 麦克风

模拟MEMS麦克风顾名思义，输出模拟信号。大多(duō)数模拟 MEMS 麦克风都有(yǒu)一个内部放大器，因此它们的输出信号以可(kě)用(yòng)的電(diàn)平提供，并具有(yǒu)相当低的输出阻抗。

模拟 MEMS 麦克风采用(yòng)隔直流電(diàn)容器，无需主机電(diàn)路来匹配 MEMS 麦克风的直流输出電(diàn)压。模拟 MEMS 麦克风也有(yǒu)偏置，因此信号位于接地和電(diàn)源之间，以避免任何模拟声音信号削波。在為(wèi)该设备实现接口電(diàn)路时，设计人员必须确保使用(yòng)正确的電(diàn)容和電(diàn)阻值，以便固有(yǒu)的高通滤波器特性使所需的音频能(néng)够以可(kě)接受的衰减水平传递到電(diàn)路

数字 MEMS 麦克风

数字 MEMS 麦克风是一种 MEMS 麦克风，其数字输出使用(yòng)与前置放大器集成的 ADC 生成。这具有(yǒu)简化与微处理(lǐ)器和微控制器的集成的优点，无需单独的 ADC，也无需在组件之间的 PCB 上路由模拟信号。这降低了 PCB 设计的重要性。输出信号对 PCB 走線(xiàn)或尺寸、耦合效应（電(diàn)感和電(diàn)容）和 RF 干扰源不敏感。这使得数字 MEMS 麦克风非常适合模拟音频信号容易受到干扰的应用(yòng)。

数字 MEMS 麦克风也有(yǒu)一些有(yǒu)用(yòng)的功能(néng)。改变 MEMS 数字麦克风的时钟速度将改变其電(diàn)源模式。通常，它们包括低功耗模式 (LPM)，使麦克风能(néng)够在始终开启的聆听模式下使用(yòng)，以进行关键字识别和环境声音分(fēn)析。在此模式下，麦克风将消耗最少的電(diàn)流，同时保持高電(diàn)声性能(néng)。

与其他(tā)类型相比，数字 MEMS 麦克风的主要缺点是组件成本较高。然而，不需要单独的编解码器/放大器/ADC 電(diàn)路和滤波所带来的节省以及相关的電(diàn)路板空间需求减少将平衡这一点。

数字 PDM MEMS 麦克风

数字 MEMS 麦克风的 PDM 变體(tǐ)使用(yòng)脉冲密度调制 (PDM) 技术添加单个数字流，以简化与微控制器的集成。这利用(yòng)了数字 MEMS 的電(diàn)噪声抗扰度，但增加了误码容限和简单的硬件接口。

下图显示了如何使用(yòng)共享时钟和数据線(xiàn)将两个麦克风连接到主机電(diàn)路。在实现立體(tǐ)声麦克风时经常采用(yòng)这种配置。

MEMS 与 ECM 麦克风

在 ECM 和 MEMS 麦克风之间进行选择时，需要考虑多(duō)种因素。由于这种新(xīn)技术提供了许多(duō)优势，MEMS 麦克风的市场份额不断增加。例如，空间受限的应用(yòng)会发现可(kě)用(yòng)于 MEMS 麦克风的小(xiǎo)封装尺寸很(hěn)有(yǒu)吸引力。同时，由于 MEMS 麦克风结构中包含模拟和数字電(diàn)路，因此可(kě)以减少 PCB 面积和组件成本。模拟 MEMS 麦克风相对较低的输出阻抗和数字 MEMS 麦克风的输出非常适用(yòng)于電(diàn)噪声环境中的应用(yòng)。在高振动环境中，使用(yòng) MEMS 麦克风技术可(kě)以降低机械振动引入的有(yǒu)害噪音水平。

此外，半导體(tǐ)制造技术和音频前置放大器的加入有(yǒu)助于制造具有(yǒu)紧密匹配和温度稳定性能(néng)特性的 MEMS 麦克风。当 MEMS 麦克风用(yòng)于阵列应用(yòng)时，这些严格的性能(néng)特性尤其有(yǒu)益。在产品制造过程中，MEMS 麦克风还可(kě)以通过贴装机轻松处理(lǐ)并耐受回流焊接温度曲線(xiàn)。

尽管 MEMS 麦克风越来越受欢迎，但仍有(yǒu)一些应用(yòng)可(kě)能(néng)更喜欢使用(yòng)驻极體(tǐ)電(diàn)容麦克风。许多(duō)传统设计都使用(yòng)了 ECM，因此，如果项目是对现有(yǒu)设计的简单升级，最好继续使用(yòng) ECM。将 ECM 连接到应用(yòng)電(diàn)路的选项包括引脚、電(diàn)線(xiàn)、SMT、焊盘和弹簧触点，為(wèi)设计工程师提供了额外的灵活性。如果防尘和防潮是一个问题，由于其较大的物(wù)理(lǐ)尺寸，很(hěn)容易找到具有(yǒu)高侵入保护 (IP) 等级的 ECM 产品。对于需要非均匀空间灵敏度的项目，ECM 产品可(kě)提供具有(yǒu)内在方向性的单向或特定降噪功能(néng)。

数字 I2S 麦克风

I2S（Inter-IC Sound）是一种串行总線(xiàn)协议接口标准，用(yòng)于将数字音频设备与微控制器或其他(tā)控制器板连接起来，以进行 PCM 音频数据的通信。它也非常适合将数字音频设备连接在一起。它使用(yòng)两条时钟線(xiàn)（SCK 和 WS）和一条数据線(xiàn)（SD）。

通信以数据位流的形式实现，WS 时钟信号表示传输开始，SCK 时钟信号表示每个数据位。数据首先发送最高有(yǒu)效位 (MSB)。该实现允许 16 位或 32 位数据消息。两者之间的互操作性由接收器逻辑自动处理(lǐ)。如果接收器期望 16 位并收到 32 位，则它只会忽略最后 16 位。另一方面，如果它需要 32 位并且只接收 16 位，它只会将最低有(yǒu)效位设置為(wèi)零。

在实现解码逻辑时，重要的是要注意 WS 信号在发送数据的 MSB 之前更改 SCK 位上的状态。这让接收器在存储当前位后准备切换到另一个通道，而不必同时存储、切换和继续发送。

主要优点是只要 MCU 支持 I2S 协议，这种类型的数字 MEMS 麦克风输出就可(kě)以使用(yòng)三根線(xiàn)连接到 MCU。

二通道串行音频接口

串行音频接口是迄今為(wèi)止最常用(yòng)的机制，用(yòng)于在系统内的设备之间传输两个音频数据通道；例如，从模数转换器到数字信号处理(lǐ)器 (DSP)，然后是数模转换器。对于大多(duō)数媒體(tǐ)应用(yòng)程序，声音被记录和处理(lǐ)為(wèi)双声道立體(tǐ)声信号。这使得对双通道串行音频接口的需求变得司空见惯，并且与单独处理(lǐ)两个信号相比，使用(yòng)一个处理(lǐ)设备管理(lǐ)立體(tǐ)声信号具有(yǒu)显着优势。

串行音频接口由两个控制时钟、左/右和串行时钟以及串行音频数据線(xiàn)组成。左/右时钟标识当前正在传输哪个通道，而串行时钟启用(yòng)解码该通道中的数据。缺点是由于共享带宽，数据吞吐量减半。然而，对于典型的音频应用(yòng)，上限频率可(kě)以被限制在标准人类听力范围内，该范围具有(yǒu)相对适中的值上限。

TDM 音频接口

TDM（时分(fēn)复用(yòng)）音频接口允许在单条数据線(xiàn)上传输多(duō)个音频数据通道。如果需要由单个控制器处理(lǐ)以低数据速率发送信息的多(duō)个数字麦克风，则非常有(yǒu)用(yòng)。TDM 接口类似于双通道串行音频接口，但支持更多(duō)通道（通常為(wèi) 4、6 或 8 个）。这对于具有(yǒu)环绕声功能(néng)或专业录音应用(yòng)程序的電(diàn)影媒體(tǐ)系统非常有(yǒu)用(yòng)。与双通道串行音频接口一样，TDM 接口由两个控制时钟、一个帧同步脉冲 (FSYNC) 和一个串行时钟 (SCLK) 以及串行音频数据線(xiàn) (SDATA) 组成。

FSYNC 时钟标识第一个通道传输的开始，而串行时钟对该通道中的数据进行解码。

平衡输出与非平衡输出

设计人员要考虑的另一个因素是麦克风是否具有(yǒu)平衡或非平衡输出。不平衡信号具有(yǒu)音频信号和接地，接地尝试吸收大部分(fēn)干扰和電(diàn)噪声。

相比之下，平衡信号有(yǒu)两个音频信号输出，一个為(wèi)正，另一个為(wèi)负。这种技术的操作与差分(fēn)对布線(xiàn)相同；任何存在的干扰都会同等地影响正负信号（假设它们在物(wù)理(lǐ)上并置）并抵消。输出还包括一个接地，可(kě)提供额外的保护，防止不必要的共模干扰。

不平衡音频输出最常见于低成本消费类应用(yòng)和信号处理(lǐ)单元。它们也可(kě)以用(yòng)于使用(yòng)短電(diàn)缆的仪器的信号链中。在专业工作室和任何需要使用(yòng)長(cháng)電(diàn)缆的地方都可(kě)以找到平衡音频输出。非平衡電(diàn)缆的最大長(cháng)度限制在 10 英尺左右，而平衡電(diàn)缆最長(cháng)可(kě)达 1000 英尺。超过这些限制，噪声的影响将显着降低信号完整性。

当然，如有(yǒu)必要，将信号从平衡转换為(wèi)非平衡（反之亦然）相对简单，如果需要，可(kě)以使用(yòng)现成的组件来执行此操作。

概括

有(yǒu)多(duō)种类型的麦克风可(kě)供选择，哪一种适合您的应用(yòng)取决于许多(duō)因素。需要考虑的是麦克风在什么环境下工作。它可(kě)以安装在您设备上的 PCB 上，还是需要遠(yuǎn)程定位？麦克风可(kě)以使用(yòng)什么電(diàn)源？可(kě)以由设备提供，还是需要自己提供？环境中会出现何种程度的干扰，消除处理(lǐ)信号的干扰有(yǒu)多(duō)重要？

动圈麦克风提供高质量的声音捕获，但对于大多(duō)数嵌入式设备来说往往太大。碳麦克风在非常低的電(diàn)压下工作，并且有(yǒu)一些小(xiǎo)众应用(yòng)，但越来越不常见且难以采購(gòu)。驻极體(tǐ)麦克风结构紧凑、经济高效，并提供多(duō)种封装选项。

MEMS 麦克风无疑是最受欢迎的，尤其是当它们需要集成到 PCB 设计中时。它们體(tǐ)积小(xiǎo)、耐電(diàn)噪声，并且对声音更敏感。这使它们成為(wèi)移动電(diàn)话和类似应用(yòng)的理(lǐ)想选择。总的来说，数字 MEMS 麦克风更受欢迎，因為(wèi)它们对干扰的敏感度低于模拟等效麦克风。这些為(wèi) PCB 上的放置选项提供了最佳灵活性，并简化了与处理(lǐ)组件的接口。数字选项还使多(duō)个麦克风信号的处理(lǐ)变得简单，提供串行通信链接，可(kě)以直接将多(duō)个信号集成到单个数据流中。

但是，如果不需要数字信号处理(lǐ)，只要電(diàn)路板设计能(néng)够正确降低噪声和干扰影响，带有(yǒu)简单模拟滤波和信号整形電(diàn)路的模拟 MEMS 麦克风将提供最佳解决方案。