新型电声产品接口技术

新型电声产品是数码产品配套新潮

　　当今主要电声产品有高性能麦克风/话柄式麦克风与平衡电枢式受话器及硅麦克风/超声声波传感器等。

　　麦克风(又称传声器或换能器)每年的销售一半是非常廉价的低档传声器，面向玩具市场以及对尺寸和性能参数要求不太严格的其它应用。另一半是便携式、高端应用市场，例如移动电话、手机、数码相机、笔记本电脑等。移动电话被视为麦克风市场中增速最快的部分。移动电话的体积越来越小，而功能越来越多，因此对下一代麦克风性能的要求不断提高。

　　麦克风产品应具有以下特性：小尺寸使产品设计更特别;防水，防泼溅产品专为户外使用设计，适应高湿度环境;宽频响范围产品(己包括超声频段)，可用于语音，音乐和检测设备产品设计中;超强的抗噪设计(包括防水)可用于高噪声环境;低功耗产品解决耗电难题;平衡电枢式麦克风(BJ系列)提供自身信号源;压电陶麦克风适应不同恶劣环境，震动灵敏度高。

　　可以概括地说现代麦克风产品最大特点是MEMS(微电子机械系统)技术的 贴片式(SMD)与数字化、小型化。

　　下面介绍驻极体电容式麦克风、MEMS(微电子机械系统)SMD硅晶麦克风、数字麦克风及超声波声学贴片传感器等新型电声产品接口技术。

　　驻极体电容式麦克风

　　驻极体电容式麦克风(ECM)普遍用于电子与通信产品中。ECM在非严苛的环境条件下能提供良好的声学性能与可靠性。其主要特征：高效能的电气规格;工业标准尺寸;有全指向、单指向及消噪型(双指向);可整合电容作RF滤波;终端多样-非焊接型，Pin型及焊盘型;用于广泛多变的应用，包括有线/无线耳机、有绳/无绳电话、PDAs、笔记本和移动电话。

　　这种麦克风由振膜、背板和驻极体层构成。可移动的振膜和固定的背板构成了可变电容器的两个极板。驻极体层存储着相当于大约100V电容器电压的固定电荷。声压引起振膜振动，从而改变传声器的电容。由于分布在电容器上的电荷数是恒定的，所以电容器两端的电压随着电容的改变而变化，根据下面的电容器电荷公式：

　　其中Q是电荷，C是电容，V是电压。随着声压的变化，电容微量增加或减少(△C)，由此引起电压成比例地减少或增加(△V)。

　　移动应用中的麦克风体积非常小，通常直径为3mm~4mm、厚度为lmm~1.5mm。因此它们的电容也相当小，典型值为3pF~5pF，在某些情况下，甚至小到1pF。

　　Knowles Acoustics公司的MB3015是此级别中最小的ECM麦克风。适用于追求超小型化的设计应用。其内部各结构与外接示意图，如图1所示。

　　          图1 驻极体电容式麦克风内部结构与外接示意图

如果电容式麦克风所产生的信号驱动能力不够，那么在对信号做进一步处理之前需要一只缓冲器或放大器。按照传统方法，一直使用一只简单的结型场效应管(JFET)输入放大器实现这种传声器的前置放大。随着ECM微机械工艺的改进，麦克风体积越来越小，电容也不断减小。由于标准的JFET放大器具有相当大的输入电容，对来自传声单元的信号造成显著的衰耗，因此JFET放大器不再适合传声器的要求。

　　如今因CMOS制造工艺的改进推动了放大器电路的改进。采用CMOS模拟和数字电路取代JFET放大器有很多好处。与传统的JFET放大器相比，采用现代亚微米CMOS工艺实现的前置放大器有多种优点：降低谐波失真，更容易增益设置，多功能模式，包括低功耗休眠模式，模数转换功能，能使麦克风直接输出数字信号，极大地提高了声音的质量，

　　提高了抗干扰能力。

　　MEMS SMD-硅晶(SiSonic)贴片式麦克风

　　SiSonic SMD硅晶贴片式麦克风应用了MEMS技术。一直以来，ECM的难题在于驻极体的能效在高温中会降低，从而导致灵敏度的劣化。而硅晶麦克风中内置的CMOS电荷泵和MEMS则可完美的解决此难题，并使得产品能多次通过260℃无铅自动回焊炉。该种麦克风，使用悬浮振膜构造，即便焊接在基板上也能确保达到优于ECM的耐振动特性、12,000G跌落撞击，甚至能通过相当于半导体级别的信耐度测试。

　　全部硅晶麦克风，高度为1.25mm，音孔位置在上面或是基板面(零高度)，还有强化对抗RF干扰的型号。这方面的新产品有，零高度Mini型及数字麦克风。

　　标准SiSonic-SMD硅晶麦克风(如楼氏公司产的SP0204、SPM0204型)原理示意图示于图2。

　　                           图2 硅晶麦克风原理示意图

　　图3为内置放大器的SiSonic-SMD硅晶麦克风

　　图3 内置放大器SiSonic-SMD硅晶麦克风原理示意图

　　数字麦克风与数字输出麦克风的前置放大器

　　虽然简单的基于JFET放大器的功耗很低，但是其线性度差而且精度低。因此，改进麦克风设计的主要目标就是将前置放大器和数字技术结合起来，在保持极低功耗的同时，通过提高线性度和降低噪声来增加动态范围。

　　数字麦克风

　　移动电话处于固有的噪声环境。传统的JFET放大器(以及任何纯模拟)方案的问题是，模拟麦克风的输出信号很容易受到潜伏在放大器和模数转换器(ADC)之间的噪声信号的干扰。因此，将ADC集成到麦克风中，使麦克风自身能够提供数字输出，以减小噪声干扰。其基本结构见图4所示。

　　                        图4 数字麦克风基本结构见图

图4是数字麦克风 (SPM0205HD4型)原理示意图。其中ADC为△∑型. 它是将以往的模拟麦克风输出送至∑△模数转换器，在外部时钟控制下，以PDM方式进行数字式输出。数字式麦克风的过采样率可达3.25Mhz，经过用户接收方的线路进行抽取处理并过滤全部数据。尤其是低功耗∑△ADC不受严格的设计限制能达到高分辨率。而低功耗休眠模式，当不需要麦克风时进入节电模式，可以延长电池工作寿命。

　　这种麦克风的特点是不受EMI的影响，直接把音频信号传入处理芯片;以∑△型A/D转换器进行PDM输出，相当于14bit的分辨能力;回路设计容易，能自由设置选择麦克风的位置;全数字化的回路设计，减少元件数量;立体声麦克风信号只需1根数据线来传送;有睡眠模式。

　　可在便携电话、笔记本电脑、数码相机、数码摄录机、需要避免电磁干扰影响的麦克风上应用。

　　图5为数字麦克风连接及其应用示意图。数字麦克风的输出与数据(data)及时钟(clack)信号将被送至芯片PCM数据流处理. 即经过用户接收方的线路进行抽取处理并过滤全部数据。

　                               图5 数字麦克风连接及其应用示意图

　　数字输出麦克风的前置放大器

　　集成的数字输出前置放大器及其接口的框图如图6所示。

　　   图6 集成的数字输出前置放大器及其接口的框图

　　传声单元的信号首先经放大器放大，然后经ADC转换成数字信号。内部稳压电源向放大器和ADC供电，既确保了良好的电源电压抑制能力，又为模拟部分提供了独立的电源。

　　按照仪表放大器结构中利用匹配电容器设置增益的方法，使用两只运算跨导放大器(OTA)这种带有MOS输入晶体管的结构，对于容性信号源具有接近零输入导纳的非常理想特性。由于使用电容进行增益设置，所以确保了高增益精度(只受光刻工艺限制)和多层—多层电容器固有的高线性度。通过金属掩模编程很容易设置该放大器的增益，其增益可达到20dB。

　　该ADC是一个四阶、单回路、单bit∑△调制器，其数字输出是单bit过采样信号。使用△∑调制器实现模数转换具有以下几个优点：噪声整形将量化噪声的频谱移到高频段，移到有用频带之外很远之处。因此，该电路系统无需严格的匹配要求就能达到高精度;ADC采用单bit t∑△调制器，因此使其具备固有高线性度;在单bit、单回路调制器中，只有一个积分器有要求严格的设计限制。内回路积分器的输出都经过噪声整形处理，因此放宽对它们的设计要求。

　　超声波声学贴片传感器

　　用于探测/接收空气中超声波的组件-超声波声学传感器(UAS) 近期己闻世。该新型贴片传感器，采用成熟的MEMS技术，传感器频率探测范围大,频带宽度远远高于目前的超声波传感器。可适应多种环境要求，是一种高性能机械声学传感器。它适用于超声波技术应用的各个领域：超声波探距、状态监控、故障探测、液位感测和位置感测等。这种传感器可用于监控和探测10-65kHz的频率范围，在整个频段内的衰减值最少。

　　新型超声波传感器可以在单一感测组件中探测出多个频率，因此，它最终可以减少或避免凭主观臆测去选择产品的行为，从而可以为顾客选择适当的传感器来对频率进行探测或监控。

　　这种传感器的小型化表面贴装封装设计不仅适用于工业品，而且也适用于大多数的制成品。尤其是MEMS贴片式麦克风、超微型驻集体麦克风、均衡电枢扬声器和语音加强软件等。例如楼氏公司的SPM0204UD5就是典型一例。图7示出其应用示意图。

　　          图7 超声波声学贴片传感器引脚与应用图