为嵌入式应用选择合适的麦克风

2021-09-25

为嵌入式应用选择合适的麦克风

如果您需要捕获声波以供电子设备处理，则需要麦克风。然而，如今的麦克风已经变得非常先进，可供选择的选项太多了。虽然它们相对较小，但它们具有广泛的选择和技术。它们的范围从相对简单和流行的电容式麦克风到包含内部放大器和其他电子处理功能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、音圈和永磁体组成。它的工作原理与螺线管相同，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线上会产生感应电压。然后可以使用该电压为最小负载供电，或者，可以使用放大器增加其强度，使信号能够驱动更大的负载。

还提供动态麦克风，在设备主体内装有一个内部变压器。这使他们能够拥有高阻抗或低阻抗输出，并且他们可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，同时不需要外部电源来驱动它们。它们还在很宽的温度范围内表现良好，并提供低阻抗输出。这使它们成为适用于广泛应用的出色低成本解决方案。动圈麦克风通常用于公共广播系统、高保真音响和家庭录音应用。

碳麦克风

碳麦克风包含碳颗粒，它们共同具有有用的特性，即颗粒两端的电阻与施加到颗粒上的压力成正比变化。这使它们能够充当换能器，当交替的声波通过改变压缩压力来改变电阻时，将声音转换为电信号。

这是一种非常古老的麦克风类型，在早期的电话系统中采用，不再普遍使用。

与其他麦克风设计相比，碳麦克风的主要优势在于它们可以从非常低的直流电压产生高电平音频信号，而无需任何形式的额外放大或电池。碳麦克风通过使用电源提供功率增益。这可以通过串联连接电池、麦克风和耳机来轻松演示。如果麦克风和耳机靠得很近，系统中的反馈会导致耳机振荡。这只有在环路周围的功率增益大于 1 时才有可能。麦克风的低电压性能在电话线很长的偏远地区特别有用。电线的电阻会导致严重的直流电压下降，从而限制可用的功率。几乎所有的电子电话都需要至少三伏直流电才能工作，并且在这种情况下通常会变得无效。相比之下，当电源电压降至几分之一伏时，基于碳麦克风的电话将继续工作。

碳麦克风广泛用于对安全至关重要的电话应用，例如采矿和化学制造行业。由于存在火花风险和随后的爆炸风险，因此不能使用更高的线电压。碳基电话系统还可以抵抗高压瞬变造成的损坏，例如由雷击和核爆炸产生的电磁脉冲产生的高压瞬变。这使它们成为关键军事设施和易受雷击的建筑物周围的备用通信系统的理想选择。

电容话筒

电容式麦克风是一种麦克风，由一对带电板组成，这些带电板可以通过声波引起的气压变化来靠近或远离。实际上，这些板就像一个声音敏感的电容器。

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

电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。如果没有放大器，麦克风的输出信号会太低而无法使用。由于麦克风需要外部电源为电容板充电，因此包含有源放大器电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电容式麦克风的偏置电压和电流要求。

驻极体麦克风

驻极体麦克风之所以如此命名，是因为它使用静电和磁性特性来发挥作用。它也可以称为 ECM 麦克风。它由稳定的介电材料构成，具有永久嵌入的静电偶极矩。由于材料的高电阻和化学稳定性，驻极体的使用寿命不会受到其性能的任何衰减或退化的影响。驻极体通常是通过熔化合适的介电材料，如塑料或蜡（含有极性分子），然后在强静电场中重新固化而制成的。电介质的极化分子将自身与静电场的方向对齐，从而产生永久的静电偏置。现代驻极体麦克风使用薄膜或溶质形式的 PTFE 来制造驻极体。

驻极体麦克风的工作方式与电容式麦克风相同，利用带静电的材料作为电容板。不同的是，这种类型的麦克风通过使用永久带电材料消除了对外部极化电源的要求。它仍然需要用于集成放大电路的电源，以及用于偏置电容器的上拉电阻器（通常约为 1k - 10k 欧姆）。

使用驻极体的主要优点是它们是成本相对较低的组件，有多种尺寸可供选择，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，可选择使用焊盘、引脚、表面贴装或引线进行连接。

主要缺点是它们不能回流焊接，因为驻极体隔膜不能承受高温。

MEMS麦克风

MEMS（微机电系统）型麦克风正在成为市场上最常见的类型，并正在取代驻极体的普及。

它们使用压敏隔膜进行操作，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为设备的一部分。通常，声能由隔膜通过改变材料的电容以与电容和驻极体麦克风类型相同的方式进行转换。还有其他变体使用压电材料从压力变化中产生电信号。

如上图所示，声波通过声音入口并振动传感器膜。集成的 ASIC（专用集成电路）检测压电效应的电容变化，放大该信号，并在必要时将其转换为数字输出。

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

MEMS 麦克风有不同的变体，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。大多数模拟 MEMS 麦克风都有一个内部放大器，因此它们的输出信号以可用的电平提供，并具有相当低的输出阻抗。

模拟 MEMS 麦克风采用隔直流电容器，无需主机电路来匹配 MEMS 麦克风的直流输出电压。模拟 MEMS 麦克风也有偏置，因此信号位于接地和电源之间，以避免任何模拟声音信号削波。在为该设备实现接口电路时，设计人员必须确保使用正确的电容和电阻值，以便固有的高通滤波器特性使所需的音频能够以可接受的衰减水平传递到电路

数字 MEMS 麦克风

数字 MEMS 麦克风是一种 MEMS 麦克风，其数字输出使用与前置放大器集成的 ADC 生成。这具有简化与微处理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 走线或尺寸、耦合效应（电感和电容）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。

数字 MEMS 麦克风也有一些有用的功能。改变 MEMS 数字麦克风的时钟速度将改变其电源模式。通常，它们包括低功耗模式 (LPM)，使麦克风能够在始终开启的聆听模式下使用，以进行关键字识别和环境声音分析。在此模式下，麦克风将消耗最少的电流，同时保持高电声性能。

与其他类型相比，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 电路和滤波所带来的节省以及相关的电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 变体使用脉冲密度调制 (PDM) 技术添加单个数字流，以简化与微控制器的集成。这利用了数字 MEMS 的电噪声抗扰度，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共享时钟和数据线将两个麦克风连接到主机电路。在实现立体声麦克风时经常采用这种配置。

MEMS 与 ECM 麦克风

在 ECM 和 MEMS 麦克风之间进行选择时，需要考虑多种因素。由于这种新技术提供了许多优势，MEMS 麦克风的市场份额不断增加。例如，空间受限的应用会发现可用于 MEMS 麦克风的小封装尺寸很有吸引力。同时，由于 MEMS 麦克风结构中包含模拟和数字电路，因此可以减少 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于电噪声环境中的应用。在高振动环境中，使用 MEMS 麦克风技术可以降低机械振动引入的有害噪音水平。

此外，半导体制造技术和音频前置放大器的加入有助于制造具有紧密匹配和温度稳定性能特性的 MEMS 麦克风。当 MEMS 麦克风用于阵列应用时，这些严格的性能特性尤其有益。在产品制造过程中，MEMS 麦克风还可以通过贴装机轻松处理并耐受回流焊接温度曲线。

尽管 MEMS 麦克风越来越受欢迎，但仍有一些应用可能更喜欢使用驻极体电容麦克风。许多传统设计都使用了 ECM，因此，如果项目是对现有设计的简单升级，最好继续使用 ECM。将 ECM 连接到应用电路的选项包括引脚、电线、SMT、焊盘和弹簧触点，为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，由于其较大的物理尺寸，很容易找到具有高侵入保护 (IP) 等级的 ECM 产品。对于需要非均匀空间灵敏度的项目，ECM 产品可提供具有内在方向性的单向或特定降噪功能。

数字 I2S 麦克风

I2S（Inter-IC Sound）是一种串行总线协议接口标准，用于将数字音频设备与微控制器或其他控制器板连接起来，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。它使用两条时钟线（SCK 和 WS）和一条数据线（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。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，它只会将最低有效位设置为零。

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 麦克风输出就可以使用三根线连接到 MCU。

二通道串行音频接口

串行音频接口是迄今为止最常用的机制，用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器 (DSP)，然后是数模转换器。对于大多数媒体应用程序，声音被记录和处理为双声道立体声信号。这使得对双通道串行音频接口的需求变得司空见惯，并且与单独处理两个信号相比，使用一个处理设备管理立体声信号具有显着优势。

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线组成。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，上限频率可以被限制在标准人类听力范围内，该范围具有相对适中的值上限。

TDM 音频接口

TDM（时分复用）音频接口允许在单条数据线上传输多个音频数据通道。如果需要由单个控制器处理以低数据速率发送信息的多个数字麦克风，则非常有用。TDM 接口类似于双通道串行音频接口，但支持更多通道（通常为 4、6 或 8 个）。这对于具有环绕声功能或专业录音应用程序的电影媒体系统非常有用。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) 以及串行音频数据线 (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平衡或非平衡输出。不平衡信号具有音频信号和接地，接地尝试吸收大部分干扰和电噪声。

相比之下，平衡信号有两个音频信号输出，一个为正，另一个为负。这种技术的操作与差分对布线相同；任何存在的干扰都会同等地影响正负信号（假设它们在物理上并置）并抵消。输出还包括一个接地，可提供额外的保护，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和信号处理单元。它们也可以用于使用短电缆的仪器的信号链中。在专业工作室和任何需要使用长电缆的地方都可以找到平衡音频输出。非平衡电缆的最大长度限制在 10 英尺左右，而平衡电缆最长可达 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，如有必要，将信号从平衡转换为非平衡（反之亦然）相对简单，如果需要，可以使用现成的组件来执行此操作。

概括

有多种类型的麦克风可供选择，哪一种适合您的应用取决于许多因素。需要考虑的是麦克风在什么环境下工作。它可以安装在您设备上的 PCB 上，还是需要远程定位？麦克风可以使用什么电源？可以由设备提供，还是需要自己提供？环境中会出现何种程度的干扰，消除处理信号的干扰有多重要？

动圈麦克风提供高质量的声音捕获，但对于大多数嵌入式设备来说往往太大。碳麦克风在非常低的电压下工作，并且有一些小众应用，但越来越不常见且难以采购。驻极体麦克风结构紧凑、经济高效，并提供多种封装选项。

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。它们体积小、耐电噪声，并且对声音更敏感。这使它们成为移动电话和类似应用的理想选择。总的来说，数字 MEMS 麦克风更受欢迎，因为它们对干扰的敏感度低于模拟等效麦克风。这些为 PCB 上的放置选项提供了最佳灵活性，并简化了与处理组件的接口。数字选项还使多个麦克风信号的处理变得简单，提供串行通信链接，可以直接将多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，只要电路板设计能够正确降低噪声和干扰影响，带有简单模拟滤波和信号整形电路的模拟 MEMS 麦克风将提供最佳解决方案。