MEMS麥克風(fēng)的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（三）

承接上文設(shè)計(jì)建議，繼續(xù)介紹PDM接口的數(shù)字時(shí)鐘和帶寬。

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

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

數(shù)字麥克風(fēng)需要一個(gè)來(lái)自主機(jī)設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘設(shè)置麥克風(fēng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間。允許的時(shí)鐘頻率在芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定。PDM接口的帶寬受到時(shí)鐘頻率的限制，因?yàn)樵谳^高的麥克風(fēng)輸出信號(hào)頻率下，量化噪聲會(huì)增加。高時(shí)鐘頻率可使噪聲成形，即將噪聲從音頻頻率推到更高的頻率，從而由更高的時(shí)鐘頻率提供。過(guò)采樣比率(OSR，抽取因子)是PDM接口時(shí)鐘頻率與基帶采樣率的比率。一個(gè)典型的OSR是64，但沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣率必須是音頻帶寬(BW，最高使用音頻頻率)的兩倍。OSR和帶寬決定所需的時(shí)鐘頻率:

最小時(shí)鐘頻率需要為全音頻頻帶(20Hz - 20kHz)是2.56MHz (OSR 64)。常用的2.4MHz時(shí)鐘使一個(gè)18.75kHz音頻帶寬(與OSR 64)。

一些標(biāo)準(zhǔn)的音頻采樣率存在，例子可以在表4中找到。

使用高超聲頻率要求PDM接口時(shí)鐘頻率明顯高于可聽(tīng)頻率。一個(gè)40kHz帶寬(與OSR 64)需要5.12MHz或更高的時(shí)鐘頻率。

左/右通道多路復(fù)用是通過(guò)使用上升和下降的時(shí)鐘信號(hào)邊緣來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)麥克風(fēng)(通道)。多路復(fù)用的工作原理是，在每個(gè)時(shí)鐘邊緣，一個(gè)麥克風(fēng)在傳輸，而另一個(gè)處于高阻抗狀態(tài)。例如，在上升時(shí)鐘信號(hào)上，數(shù)據(jù)通道維護(hù)(寫(xiě)入)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線上，數(shù)據(jù)進(jìn)入高阻抗(HiZ)狀態(tài)。類似地，在一個(gè)下降的時(shí)鐘信號(hào)，通道DataR維護(hù)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)處于高阻抗?fàn)顟B(tài)時(shí)，麥克風(fēng)對(duì)輸出數(shù)據(jù)線是電不可見(jiàn)的。這允許每個(gè)麥克風(fēng)在另一個(gè)安靜地等待輪到它時(shí)(在HiZ狀態(tài))驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)線的內(nèi)容。

圖8 L/R通道多路復(fù)用，在單一數(shù)據(jù)線上使用兩個(gè)麥克風(fēng)

在將不同的麥克風(fēng)模型或多個(gè)供應(yīng)商的麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)到同一設(shè)備時(shí)，確保它們的接口屬性允許它們無(wú)縫地協(xié)同工作是非常重要的。例如，當(dāng)在一條數(shù)據(jù)線上使用兩個(gè)PDM麥克風(fēng)時(shí)，它們的定時(shí)參數(shù)必須兼容。當(dāng)然，麥克風(fēng)系統(tǒng)和麥克風(fēng)的計(jì)時(shí)也必須匹配。

圖9 在數(shù)據(jù)線上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)麥克風(fēng)的數(shù)字定時(shí)

(基于保密原則，這里省去部分具體產(chǎn)品參數(shù)列表)

除了定時(shí)參數(shù)，麥克風(fēng)的IO(輸入/輸出)電壓水平也必須指定，以確保麥克風(fēng)在系統(tǒng)中與其他麥克風(fēng)一起工作。選擇正確的電平有助于減少數(shù)據(jù)錯(cuò)誤(當(dāng)麥克風(fēng)實(shí)際輸出為0時(shí)，麥克風(fēng)的輸出被解釋為1，或者反之亦然)。

數(shù)據(jù)線的屬性影響接口的功能。因此，傳聲器能夠驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)線(Cload)上的最大輸出負(fù)載電容通常也在傳聲器數(shù)據(jù)表中指定。設(shè)備中的數(shù)據(jù)線應(yīng)與所需的最大Cload兼容。

當(dāng)麥克風(fēng)處于待機(jī)模式時(shí)，麥克風(fēng)的數(shù)據(jù)引腳通常被指定為處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。

PDM MEMS麥克風(fēng)的輸出被轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)供人耳使用(通過(guò)低通濾波)或PCM(脈沖編碼調(diào)制)數(shù)字信號(hào)，在設(shè)備系統(tǒng)中傳遞。例如，DSP系統(tǒng)接受PCM作為輸入(但不能處理PDM)。轉(zhuǎn)換到PCM是由一個(gè)采用降頻數(shù)位濾波器根據(jù)過(guò)采樣率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。采樣率降低增加了數(shù)字信號(hào)的字長(zhǎng)，因此基帶率PCM信號(hào)不再是1位信號(hào)。典型的結(jié)果字長(zhǎng)為16、20或24位。噪聲的可聽(tīng)到頻率的混疊。必須使用降頻數(shù)位濾波器來(lái)防止PDM信號(hào)中的超聲波頻率。該濾波器系統(tǒng)系統(tǒng)可以包括在麥克風(fēng)PCM輸出。PCM/I2S麥克風(fēng)沒(méi)有PDM輸出麥克風(fēng)那么受歡迎。

傳聲器的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是信噪比(SNR)和聲過(guò)載點(diǎn)(AOP)。這些參數(shù)反映了麥克風(fēng)可以處理的最安靜的聲音(SNR)和麥克風(fēng)可以檢測(cè)到的最大聲音，同時(shí)保持一個(gè)合理的失真水平(AOP;THD上升到10%以上的聲壓級(jí))。通過(guò)結(jié)合這兩個(gè)參數(shù)，我們可以確定麥克風(fēng)可以檢測(cè)的整個(gè)聲級(jí)范圍，從噪聲底部到過(guò)載點(diǎn);

對(duì)于基于PCM的音頻系統(tǒng)組件，如ADC和編解碼器，動(dòng)態(tài)范圍和信噪比的測(cè)量方法與麥克風(fēng)信噪比有很大的不同。麥克風(fēng)信噪比定義為聲輸入為94dBSPL的1kHz正弦波時(shí)和麥克風(fēng)無(wú)聲輸入(底噪)時(shí)麥克風(fēng)輸出的差值(單位為dB[A])。這是因?yàn)?，麥克風(fēng)信噪比是對(duì)麥克風(fēng)自噪聲可聽(tīng)性的測(cè)量，所以它是一個(gè)定義的聲學(xué)“真實(shí)世界”信號(hào)。

ADC或編解碼器的信噪比通常定義為最大輸入信號(hào)電平和最小輸入信號(hào)電平之間的差(單位為dB)。這種性能通常反映在所使用的數(shù)字編碼方案的位深度上，通常是16位、20位或24位。這意味著音頻組件的信噪比實(shí)際上與麥克風(fēng)動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)系比麥克風(fēng)信噪比更密切。

選擇的音頻元件和數(shù)字編碼方案必須具有與所使用的傳聲器的動(dòng)態(tài)范圍相等或更大的信噪比/動(dòng)態(tài)范圍。否則，這些音頻部件的噪聲地板將會(huì)主導(dǎo)系統(tǒng)，并不能實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)的全部性能。比特?cái)?shù)(N =字長(zhǎng))決定了基于PCM的ADC和編解碼器的動(dòng)態(tài)范圍DR:

例如，對(duì)于16位系統(tǒng)，在上面的公式中插入16作為N，得到的動(dòng)態(tài)范圍約為98dB。在實(shí)踐中，抖動(dòng)使信噪比降低了約4分貝(抖動(dòng)處理是有意添加的噪聲，用于隨機(jī)化量化誤差，從而使系統(tǒng)線性化并消除噪聲調(diào)制)。為了便于估計(jì)，上述方程可簡(jiǎn)化為:DR[dB] = N * 6(不考慮抖動(dòng)處理)。

所有的數(shù)字信號(hào)都用dBFS (dB相對(duì)于全尺度)測(cè)量。滿標(biāo)度是數(shù)字編號(hào)系統(tǒng)中所能表示的最大數(shù)字。在PDM中，這用100%的1表示輸出。在數(shù)字MEMS麥克風(fēng)中，AOP通常近似于0dBFS(全尺度)。所有其他輸出級(jí)別都指定為-xdBFS，表示它們低于full scale。動(dòng)態(tài)范圍的編解碼器指定最低的dBFS級(jí)別，它可以通過(guò)。

如這里所示，麥克風(fēng)和下游部件的全尺寸級(jí)別通常會(huì)與信號(hào)鏈動(dòng)態(tài)范圍保持一致。然而，噪音地板卻不一定。這是因?yàn)?dBFS(全尺度)對(duì)于兩個(gè)系統(tǒng)是相同的，但是由音頻信號(hào)鏈?zhǔn)褂玫臄?shù)字編號(hào)系統(tǒng)可能不能表示像麥克風(fēng)噪聲地板那樣低的級(jí)別。這意味著，如果一個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)使用的數(shù)字編碼方案沒(méi)有使用足夠的比特來(lái)表示麥克風(fēng)的噪聲底層，系統(tǒng)噪聲將不能反映麥克風(fēng)的真實(shí)性能。

圖10 16位編碼對(duì)這個(gè)麥克風(fēng)沒(méi)有足夠的動(dòng)態(tài)范圍。系統(tǒng)的性能將受到音頻編碼方案的限制

如果高信噪比麥克風(fēng)用于低動(dòng)態(tài)范圍的音頻信號(hào)鏈(例如，16位)，系統(tǒng)不能保持麥克風(fēng)的信噪比性能(見(jiàn)圖)。緩解這一問(wèn)題的一種選擇是使用具有較低AOP的麥克風(fēng)。這可以實(shí)現(xiàn)，例如，通過(guò)校準(zhǔn)麥克風(fēng)增加靈敏度，例如-26dBFS而不是-36dBFS。這將把AOP從130個(gè)dBSPL減少到120個(gè)。底噪的dBFS值會(huì)增加，但由于全尺寸值(0 dBFS)減少了相同的分貝數(shù)(在聲壓級(jí)上)，麥克風(fēng)的底噪被保留。

圖11 再16位系統(tǒng)降低AOP以便允許高SNR實(shí)現(xiàn)

但是，如果同時(shí)需要高AOP (130dBSPL)和高SNR (69dB)，則必須使用20位或24位音頻信號(hào)鏈。