原创 带你学会看麦克风芯片的产品书

 (本篇为笔者原创文, 若觉得有帮助, 请支持一下, 谢谢)

  麦克风, 每个人都不会陌生,生活中现在缺少不了的一样普通电子产品, 而作为里面核心的部件, 拾音用的麦克风IC就是本篇要谈的主题.

  麦克风IC从制作工艺上来说, 现在大致有两种, ECM(electret condenser/capacitor microphone)和MEMS型, 前面一种历史更久,  原理大致就是利用两块平行的薄膜极板, 其中一面附有金属薄膜, 极板的模型可以看作是电容, 当声音传来时, 极板发生振动, 电极间距离变化使电容值也发生变化, 也就是说声音的强度间接的被转化为电容值的变化输出.

  ECM制作成本相对低, 现在普及广, 但是它的耐温特性较差. 而且和后端的声音处理IC集成性较差, 所以近年来MEMS型Mic慢慢发展起来了.

  从集成度来说, 麦克风IC可分成模拟型和数字型, 这主要是根据Mic IC的输出是模拟信号还是数字信号而言的. 数字型的芯片其实就是在模拟型芯片基础上再继承了模拟-数字转换的功能(即A/D converter等) . 现在的市场share来说, 模拟Mic占有绝大部分, 这也是跟Mic使用的场合有关系, 比如Nokia大力提倡数字型Mic, 而像做除噪声的耳机公司(Sony等)因为自己有模拟-数字转换的处理模块, 所以他们一般只用模拟Mic即可.

好了说了那么多, 让我们回归主题, 先看看下面一张从AAC公司网站上copy来一款数字ECMIC的图片.

评价Mic ic的性能也是主要从它的DC特性和AC特性来说.

   DC特性包括它的操作电压, 消耗电流, 这款产品支持电压从1.6V-3V, 相对来说是较宽的, 这样产品的应用范围也将更广, 比如手机的应用一般在1.8V, 而笔记本应用一般在3.3V等.

从设计的角度来说电压越低, 设计难度越高, 低电压情况下要获得高的信噪比不是件容易的事. 信噪比是mic比较重要的性能之一，关于它的计算，后面讲AC特性的时候再具体谈一下。 消耗电流（此例500uA）, 这包括了声音信号放大模块和模数转换的模块和一些其他模块. 在携带式产品的应用中, 当然消耗电流多少也是很重要的指标.

AC特性主要包括信噪比(SNR), THD, PSRR等指标

  在讲这些指标之前, 有必要简单介绍一下Mic等声音处理芯片领域一些独有的单位.

  特别是Pa, dBFS, dBV三者之间的关系搞懂的话, 基本就没有问题了.

Pa: 用在声域的话,就是表示声压强度, 用dBspl表示的话, 一般规定0dBspl=2*10^-5Pa.

所以上面说”test conditions”时 Pin=1Pa也就是94dBspl的声压强度.而像我们这样的半导体芯片设计人员来说, 声压的单位还是不够清楚, 要是能化为dBV, 或者Vrms等单位的话, 就很直观的明白了.

那么我们这里有必要知道一下最大声压的定义, 这个定义和Mic生产厂家有关系的, 一般比如说人的耳朵所能忍耐最大的声压强度为120dBspl（此时的声音强度就相当于喷气式飞机从头顶飞过的情形）, 那么很多厂家就把这个值定为Mic的最大输入, 对数字Mic来说, 这个输入强度的情况下, 输出即为0dBFS.

(dBFS是指模数转换器中定义的full scalar值的margin, 比如FS=1v ,指ADC满程即为1V,  0dBFS就等于输出为1V)

图2 mic 芯片的电路框图

对以芯片设计者来说如果输出的是dBFS单位的信号, 而前端因为是模拟放大器, 所以希望有dBV信号单位, 对整个Mic IC来说整个增益率就是dBFS/dBV,

看似比较复杂, 具体实际的例子吧, 比如图2这样一个Mic IC, 前置放大器的电压功率为10dB, 而模数转换模块为delta-sigma adc, FS=1.2Vrms的话, 则adc的信号增益转换率为20*log(1/1.2Vrms)=-1.6dBFS/dBV , 所以整个芯片的增益率就是10dB+(-1.6dBFS/dBV)=8.4dBFS/dBV。 大家应该注意到了，其实芯片的总增益就和AMP的增益和FS电压有关，而FS越大，相当于ADC压缩信号越厉害，其增益越小。

Mic 芯片的增益到底设为多少才好呢? 这要看实际的应用情况了, 我们先把上面的内容整理一下, 最大输入为120dBspl的情况下, ADC输出为0dBFS, 测试条件为94dBspl的情况下, 则可以知道ADC输出为-26dBFS, 假设这时候芯片增益要求为12dBFS/dBV, 则芯片的输入强度为-38dBV. 这么样, 从声压到电信号的转换应该有所了解了吧.

-38dBV的信号也就是12.5mVrms=35.6mVpp的信号了.

上面定义的SNR为62dB也就是说当输入-38dBV信号的情况下(这里假设IC增益为12dBFS/dBV), 输出的信号(-26dBFS)与输出噪声的比值. 因为SNR=Sout-Nout, 所以我们可以知道Nout=-88dBFS, 转换到IC的输入端也就是-100dBV(=10uVrms),