MEMS麦克风已成消费市场的主流产品选择
麦克风已经是众多电子产品中内置的标准器件，从可穿戴设备到家庭助理，越来越多的设备被要求“听到”它们的环境，并随之做出相对的反应。本文将全面概述麦克风类型和基本原理，以及CUI Devices微机电系统（MEMS）麦克风的产品特性。
ECM和MEMS麦克风的技术差异
随着麦克风应用的增加，对麦克风的灵敏度和体积的要求也越来越高。目前用来构建麦克风的两种最常见的技术是MEMS和驻极体电容，以下将先介绍MEMS和驻极体电容麦克风（ECM）的基础知识，比较技术之间的差异，并概述每种解决方案的优势。
MEMS麦克风由放置在印刷电路板（PCB）上，并用机械盖保护的MEMS组件构成。其在外壳上制造了一个小孔，以允许声音进入麦克风，如果开孔在顶盖中，则指定为顶部端口；如果开孔在PCB中，则指定为底部端口。MEMS组件通常设计有机械隔膜和在半导体芯片上创建的安装结构。
MEMS隔膜形成一个电容器，声压波引起隔膜的运动。MEMS麦克风通常包含第二个半导体芯片，该芯片用作音频前置放大器，将MEMS的变化电容转换为电信号。如果需要模拟输出信号，则将音频前置放大器的输出提供给用户。如果需要数字输出信号，则模数转换器（ADC）将包含在与音频前置放大器相同的芯片上。用于MEMS麦克风中的数字编码常用格式是脉冲密度调制（PDM），它允许仅与时钟和单条数据线进行通信。由于数据的单比特编码，简化了接收器处的数字信号解码。数字I2S输出是第三种选择，包括一个内部抽取滤波器，它允许在麦克风本身中完成处理。这意味着麦克风可以直接连接到数字信号处理器（DSP）或微控制器，从而在许多应用中无需ADC或编解码器。
ECM包含有一个驻极体隔膜（具有固定表面电荷的材料）隔开与靠近导电板，与MEMS麦克风类似，形成一个电容器，其中气隙作为电介质。由于声压波移动驻极体膜片，电容器两端的电压随着电容值的变化而变化，电容电压变化由麦克风外壳内部的JFET放大和缓冲。JFET通常配置为共源配置，而外部应用电路中使用外部负载电阻和隔直电容。
ECM和MEMS麦克风各具优势
在ECM和MEMS麦克风之间进行选择时需要考虑很多因素，由于MEMS这种新技术提供的许多优势，MEMS麦克风的市场份额继续快速增长。例如，空间受限的应用会对MEMS麦克风的小封装尺寸很具有吸引力，而由于MEMS麦克风结构中包含模拟和数字电路，可以减少PCB面积和组件成本。模拟MEMS麦克风的输出阻抗相对较低，而数字MEMS麦克风的输出非常适合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由机械振动引入的不需要的噪声水平。此外，半导体制造技术和音频前置放大器的加入，使制造具有紧密匹配和温度稳定性能特性的MEMS麦克风成为可能。当MEMS麦克风用于阵列应用时，这些严格的性能特征尤其有益。在产品制造过程中，MEMS麦克风也可以通过拾放机轻松处理，并且可以承受回流焊接温度曲线。
尽管MEMS麦克风正在迅速普及，但仍有一些应用可能首选ECM。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，为工程师提供了额外的设计灵活性。如果防尘和防潮是一个问题，很容易找到具有高防护（IP）等级的ECM产品，因为它们的物理尺寸较大。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噪声消除，而ECM的宽工作电压范围，可能是具有松散调节电压轨产品的首选解决方案。
PDM和I2S协议的特性各有不同
除了显着减小的占位面积、更低的功率要求和更大的电噪声抑制之外，MEMS麦克风的主要优点之一是增加了输出选项，为设计人员和工程师提供了更大的灵活性。虽然模拟选项仍然可用，但两种流行的输出选项是PDM和I2S的数字协议。这些接口各有其独特的特点，需要考虑的关键因素包括音频质量等级、功耗水平、物料清单成本、设计必须遵守的空间限制，以及将部署硬件的操作环境。
PDM用于将模拟信号电压转换为单位脉冲密度调制数字流，PDM信号看起来更类似于纵波，而不是与音频相关的典型横波，但它们是模拟信号的数字表示，这产生的信号具有数字信号的许多优点，同时仍与模拟信号直接相关。创建此PDM信号需要比通常更高的采样率（高于3 MHz的速率），因为数字脉冲的出现频率，必须比它们所代表的模拟信号的振荡频率高很多倍。
由于信号的数字特性，PDM比模拟信号更能适应电噪声环境，并且在信号劣化时具有更高的误码容限。高频信号确实会产生距离限制，因为较长传输线上的电容会增加，可能会导致不必要的衰减并伴随音频质量下降。这些信号还需要由具有适当编解码器的外部DSP或微控制器进一步处理，以通过低通滤波器运行PDM信号，以将其抽取或下采样到较低的采样率，从而使其可用于其他器件。
与PDM不同，I2S是完全数字信号，不需要编码或解码，且没有普遍要求的数据传输速度，但是，最低速度取决于正在传输的数据及其精度。如果音频采样率是44.1 kHz的行业标准，精度为8位，那么单声道通道将需要至少352.8 kHz的时钟速度。立体声应用将是705.6 kHz的两倍，精度的任何变化也会改变最小传输带宽。
PDM提供更好的抗噪性和误码容限，可以使其对许多优先考虑音频质量的应用具有吸引力。相比之下，I2S更易于安装、可减少整体占用空间和减少组件数量，在产品尺寸或其价格标签被证明是主要关注点的情况下将具有优势。还应该注意的是，I2S接口将在更长的距离上提供更好的信号完整性，因此它也适用于麦克风和处理电路在电路板上不能彼此靠近的情况。
提供多样化的MEMS麦克风选择性
MEMS麦克风在现代电子设计中变得司空见惯，拥有最佳接口至关重要。在决定哪个接口将可优化您的特定应用场景时，需要考虑许多因素。PDM可以成为具有挑战性的应用环境中的理想选择，这要归功于其固有的抗噪声能力。相反的，采用I2S允许输入直接连接到其随附的DSP或其他处理器／控制器器件，而不会产生任何额外的复杂性。
CUI Devices拥有广泛的MEMS麦克风产品组合，可满足各种音频系统要求。除了模拟接口单元外，各种PDM和I2S数字接口麦克风也一应俱全。CUI Devices的MEMS麦克风采用小至2.75 x 1.85 x 0.90 mm的紧凑、薄型封装，可为用户提供更好的音频质量和性能。这些MEMS麦克风的灵敏度等级为-42 dB至-26 dB，信噪比为57 dBA至65 dBA，灵敏度容差低至±1 dB，是一系列便携式消费电子应用的理想选择。为了更轻松地进行原型设计和设计测试，CUI Devices还提供了一个MEMS麦克风开发套件，其中包含四个独立的麦克风评估电路。
CUI Devices的MEMS麦克风具备顶部和底部端口版本、模拟和数字选项，以及-42 dB至-26 dB的灵敏度等级，电流消耗低至80 μA，您可至以下网址寻找最适合您需求的MEMS麦克风：
https://www.arrow.com/zh-cn/manufacturers/cui-devices/audio-components/microphones?promoGroupLevel=main&filters=Technology:MEMS。
结语
MEMS麦克风具备体积小、抗噪能力强等优势，是许多消费应用产品的首选，CUI Devices提供不同灵敏度、接口等产品类型，并提供完整的设计资源，能够帮助客户快速开发出相应的产品，值得您进一步了解与采用。
