MEMS麥克風(fēng)的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（二）

承接上文：MEMS麥克風(fēng)的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（一）

設(shè)備麥克風(fēng)信號(hào)通路要求-帶寬

麥克風(fēng)輸出信號(hào)通路中的直流濾波電容器必須有一定的尺寸，這樣它們就不會(huì)限制信號(hào)帶寬。≥1μf組件通常是很好的。此外，信號(hào)鏈中的所有其他組件必須支持麥克風(fēng)輸出帶寬。如果預(yù)期帶寬超過(guò)20kHz(超聲波)，這一點(diǎn)尤其值得注意。

數(shù)字麥克風(fēng)的電路實(shí)現(xiàn)

在上文提到的，針對(duì)模擬麥克風(fēng)保護(hù)和過(guò)濾信號(hào)連接的原則同樣適用于數(shù)字麥克風(fēng)。然而，由于對(duì)數(shù)字信號(hào)干擾的魯棒性，通常較少需要保護(hù)，或者使得數(shù)字信號(hào)更清晰。在許多情況下，數(shù)字麥克風(fēng)可以減少設(shè)計(jì)、原型制作、重新設(shè)計(jì)和過(guò)濾組件的工作量，同時(shí)仍然可以達(dá)到與模擬麥克風(fēng)類似或更好的信號(hào)質(zhì)量。在智能手機(jī)、平板電腦、智能音箱和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等無(wú)線連接設(shè)備所處的具有挑戰(zhàn)性的電磁環(huán)境中，數(shù)字接口尤其有益。數(shù)字信號(hào)還可以使用更長(zhǎng)的跟蹤長(zhǎng)度而不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因此它們非常適合于大型設(shè)備，例如可以進(jìn)行長(zhǎng)信號(hào)連接的筆記本電腦。

數(shù)字接口的一個(gè)缺點(diǎn)是與模擬接口相比，麥克風(fēng)和接口的電流消耗更高。然而，整個(gè)系統(tǒng)的電流消耗并不一定更高，因?yàn)槟M到數(shù)字的轉(zhuǎn)換必須在信號(hào)鏈的某個(gè)點(diǎn)上完成，模擬麥克風(fēng)也是如此。

盡管在許多情況下實(shí)現(xiàn)數(shù)字麥克風(fēng)比模擬麥克風(fēng)更容易，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者仍然需要知道自己在做什么。模擬信號(hào)(Vsupply, ground)必須保持穩(wěn)定和干凈，數(shù)字信號(hào)連接必須正確實(shí)現(xiàn)，以確保無(wú)縫運(yùn)行。

MEMS麥克風(fēng)中最常見(jiàn)的數(shù)字接口是PDM(脈沖密度調(diào)制)。它是一個(gè)1位接口。PDM接口比其他數(shù)字產(chǎn)品更簡(jiǎn)單、更便宜。一個(gè)關(guān)鍵的簡(jiǎn)單性因素是PDM接口不需要在麥克風(fēng)中有額外的降頻數(shù)位濾波。這樣就節(jié)省了麥克風(fēng)的芯片面積、成本和電流消耗。在PDM麥克風(fēng)中，模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的延遲非常小。

一個(gè)PDM接口由兩個(gè)接口信號(hào)組成:時(shí)鐘和數(shù)據(jù)。L/R(左/右)選擇插腳通過(guò)將插腳連接到地面或Vsupply，可以在同一數(shù)據(jù)線上使用兩個(gè)麥克風(fēng)。在電源電壓和接地條件下，總麥克風(fēng)芯片的引腳數(shù)為5。

在模擬麥克風(fēng)的電路實(shí)現(xiàn)中，信號(hào)連接電路和跟蹤設(shè)計(jì)是模擬麥克風(fēng)的關(guān)鍵。它們對(duì)數(shù)字麥克風(fēng)同樣重要，但原因不同。電路板上的所有痕跡都有阻抗。由時(shí)鐘中尖銳的數(shù)字信號(hào)邊緣和數(shù)字麥克風(fēng)的數(shù)據(jù)信號(hào)引起的非常高的頻率(高達(dá)數(shù)百兆赫)會(huì)受到這些阻抗的顯著影響。此外，發(fā)送和接收彼此信號(hào)的組件的輸出和輸入在維持信號(hào)質(zhì)量方面起著重要作用。設(shè)計(jì)和執(zhí)行不會(huì)降低數(shù)字信號(hào)質(zhì)量的信號(hào)連接的原則相對(duì)簡(jiǎn)明，主要原則如下：

發(fā)送信號(hào)(源)的組件的輸出必須與它所驅(qū)動(dòng)的信號(hào)線相匹配。不匹配可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)沖、下沖、反射和振鈴等問(wèn)題。這可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的信號(hào)電平和位錯(cuò)誤，以及可能影響相鄰系統(tǒng)的干擾。誤碼降低了麥克風(fēng)系統(tǒng)的性能。振鈴、過(guò)沖和下沖會(huì)導(dǎo)致最小和最大信號(hào)水平顯著低于或高于預(yù)期。產(chǎn)生的電平可能會(huì)違反為麥克風(fēng)(或系統(tǒng)的其他部分)指定的絕對(duì)最大額定值。

為了避免問(wèn)題，時(shí)鐘的阻抗和數(shù)據(jù)跟蹤應(yīng)該被控制。線的阻抗取決于它的尺寸和在電路板上使用的材料。電路設(shè)計(jì)工具可用于設(shè)計(jì)受控阻抗道，例如在50至100歐姆之間。

（這里額外說(shuō)一下原因，很多成熟設(shè)計(jì)都是這么做，算是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。實(shí)際上， 其實(shí)這個(gè)小電阻的作用就是為了解決信號(hào)反射問(wèn)題。而且隨著電阻的加大，振鈴會(huì)消失，但你會(huì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)上升沿不再那么陡峭了，串聯(lián)電阻是為了減小反射波，避免反射波疊加引起過(guò)沖。這個(gè)解決方法叫阻抗匹配，一定要注意阻抗匹配，阻抗在信號(hào)完整性問(wèn)題中占據(jù)著極其重要的地位）

源終端電阻

• 源終端電阻用于匹配源和跟蹤的阻抗；
• -電阻與示蹤線串聯(lián)，靠近電源；

終端電阻的分量值取決于其所處的跟蹤特性;典型值從50歐姆到100歐姆；

• 時(shí)鐘線源終端電阻(RTC)(1)保持信號(hào)邊緣干凈，避免過(guò)沖和振鈴，幫助避免接口計(jì)時(shí)問(wèn)題，發(fā)射干擾和增加電流消耗；
• 在數(shù)據(jù)線(RTD)(2)上也增加了終端電阻，以避免計(jì)時(shí)問(wèn)題和位錯(cuò)誤。

濾波電容

• Vsupply干擾濾波電容器(CPS) (3);典型值是0.1μf但10μf是可能的
• 用于Vsupply的RF干擾濾波電容器(CRF) (4

可能需要幾個(gè)，每個(gè)過(guò)濾出特定的干擾頻率

電容器通常是小值，10 - 500pF

• 最小值濾波電容應(yīng)放置在離麥克風(fēng)最近的位置
• 所有電容連接到電源層的線路盡量短 (5);建議避免所有走線都聚在一起并直接通過(guò)pads選擇vias，這是不建議的；
• 電容走線(5)中的電感應(yīng)盡量減小，以最大限度地提高濾波性能
• 一些電容(例如基于第2類介質(zhì)的電容)可以產(chǎn)生噪音

不應(yīng)在離麥克風(fēng)太近的地方使用

圖7數(shù)字麥克風(fēng)和音頻編解碼器接口示例

其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

• 可以在每個(gè)麥克風(fēng)的電源線上添加一個(gè)串聯(lián)電阻或鐵氧體(R/F)(6)，以抑制或?yàn)V除高頻電磁干擾(EMI)噪聲；
• 從麥克風(fēng)上的L/R引腳到Vdd和接地(7)的線路應(yīng)較短；
• 麥克風(fēng)接地(8)應(yīng)該與直接位于麥克風(fēng)接地的線路板通過(guò)vias;應(yīng)避免留下額外走線；
• 麥克風(fēng)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘線應(yīng)與高速傳輸線分開(kāi)；

在上面所示的配置中，兩個(gè)麥克風(fēng)同時(shí)通電或切換到其他電源模式(例如正常模式<->低功率模式，由時(shí)鐘頻率控制)。開(kāi)關(guān)或者與門(mén)電路可以與編解碼器的GPIO輸出(通用IO)一起使用，分別控制每個(gè)麥克風(fēng)的功率和時(shí)鐘。