MEMS麦克风已成为消费市场的主流产品选择

麦克风已成为许多电子产品中的标准设备。从可穿戴设备到家庭助理，越来越多的设备需要能够“听到”周围环境并做出相应反应。本文将全面概述麦克风的类型和基本原理，以及晓声科技MEMS麦克风的产品特性。

ECM 与 MEMS 麦克风的技术差异

随着麦克风应用的增加，对麦克风灵敏度和音量的要求也在不断提高。目前，用于制造麦克风的两种最常见技术是MEMS和驻极体电容器技术。下面我们将首先介绍MEMS和驻极体电容器麦克风（ECM）的基本知识，比较它们的技术差异，并概述每种方案的优势。

MEMS麦克风由安装在印刷电路板（PCB）上的MEMS组件组成，并由机械外壳进行保护。外壳上开设一个小孔以允许声音进入麦克风。如果孔位于顶部外壳，则称为顶部开口；如果孔位于PCB上，则称为底部开口。MEMS组件通常由机械振膜和安装结构构成，这些结构是在半导体晶片上制造的。

MEMS振膜形成一个电容器，声压波使振膜产生移动。MEMS麦克风通常包含第二块半导体芯片，用作音频前置放大器，将MEMS的可变电容转换为电信号。如果需要模拟输出信号，则音频前置放大器的输出直接提供给用户。如果需要数字输出信号，则模数转换器（ADC）与音频前置放大器集成在相同的芯片上。MEMS麦克风中数字编码的一种常见格式是脉冲密度调制（PDM），其仅需时钟信号和单条数据线即可实现通信。由于数据是以单比特编码的形式传输，在接收端解码数字信号变得更加简化。数字I²S输出是第三种选择，包含一个内部抽取滤波器，能够在麦克风内部完成处理。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再使用ADC或编解码器。

ECM包含一个驻极体振膜（具有固定表面电荷的材料），其与导电板分离但相距很近。与MEMS麦克风类似，它通过空气间隙形成一个以空气为电介质的电容器。当声音压力波使驻极体振膜移动时，电容器两端的电压会随着电容值的变化而改变。电容电压的变化通过麦克风外壳内的JFET进行放大和缓冲。JFET通常配置为共源极结构，而外部应用电路中则使用外部负载电阻和直流隔离电容器。

ECM和MEMS麦克风各有其优势

在选择ECM和MEMS麦克风时，需要考虑许多因素。由于MEMS麦克风提供了许多优势，其市场份额正迅速增长。例如，MEMS麦克风的小尺寸对于空间受限的应用来说非常具有吸引力，而且由于MEMS麦克风结构中包含了模拟和数字电路，可以减少PCB面积并降低组件成本。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气噪声环境中的应用。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必要噪声。此外，通过半导体制造技术和音频前置放大器的加入，可以制造出匹配度高且具有温度稳定性的MEMS麦克风。这些严苛的性能特性在MEMS麦克风用于阵列应用时尤其有益。在产品制造过程中，MEMS麦克风还能被贴片机轻松处理，并能够承受回流焊接的温度曲线。

尽管MEMS麦克风的流行度迅速上升，但仍有一些应用可能更偏好使用ECM。许多传统设计使用ECM，因此如果项目只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择包括引脚、导线、SMT、焊垫和弹簧接点，为工程师提供了额外的设计灵活性。如果灰尘和湿气是问题，ECM产品由于其较大的物理尺寸，很容易找到具有高防护等级（IP等级）的产品。对于需要非均匀空间灵敏度的项目，ECM产品可以通过内部指向性提供单向或降噪功能。此外，ECM的宽工作电压范围可能是电压轨调节较松的产品的首选解决方案。

PDM 和 I²S 协议具有不同的特性

除了显著减少的尺寸、较低的功耗和更强的电噪声抑制能力外，MEMS麦克风的主要优势之一是增加了输出选项，为设计师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数字协议。这些接口各有其独特的特性。需要考虑的关键因素包括音频质量水平、功耗水平、物料成本、设计必须符合的空间限制，以及硬件部署所在的操作环境。

PDM用于将模拟信号电压转换为单位脉冲密度调制的数字流。PDM信号看起来更像纵向波，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。生成的信号具有数字信号的许多优势，同时仍然直接与模拟信号相关。生成这种PDM信号需要比通常更高的采样率（超过3 MHz的采样率），因为数字脉冲的出现频率必须远高于它们所代表的模拟信号的振荡频率。

由于信号的数字特性，PDM相比模拟信号能够更好地适应电气噪声环境，并在信号退化时具有更高的容错能力。然而，高频信号确实会导致距离上的限制，因为在较长的传输线路上电容的增加可能导致不必要的衰减及随之而来的音频质量下降。这些信号还需要通过外部DSP或带有适当编解码器的微控制器进一步处理，通过低通滤波器运行PDM信号，以提取或将其降采样到较低的采样率，以便能用于其他设备。

与PDM不同，I²S是一种完全数字化的信号，既不需要编码也不需要解码，同时不存在一般要求的数据传输速度。然而，最低传输速度取决于传输数据的采样率和精度。如果音频采样率为业界标准的44.1 kHz且精度为8位，单声道信道将需要至少352.8 kHz的时钟速度。立体声应用的时钟速度将是其两倍，即705.6 kHz，并且任何精度上的变化都会同时改变最低传输带宽。

PDM 提供更好的噪声抗扰性和比特错误容忍度，这使得它在许多优先考虑音质的应用中具有吸引力。相比之下，I²S 支持安装简便、整体体积更小以及组件数量减少，这在产品尺寸或价格成为主要关注点时具有优势。此外，还需注意，I²S 接口在较长距离上能够提供更好的信号完整性，因此对于麦克风与处理电路无法在电路板上彼此靠近的实现方式来说，它也是适用的。

多样化选择的MEMS麦克风

MEMS麦克风已成为现代电子设计中的常见组件，而拥有最佳接口是非常重要的。在决定哪个接口能够针对您的特定应用场景进行优化时，需要考虑许多因素。由于其固有的抗噪能力，PDM可以成为在具有挑战性的应用环境中的理想选择。而使用I²S则可以让输入直接连接到其配套的DSP或其他处理器/控制器设备，而无需增加任何复杂性。

Same Sky拥有广泛的MEMS麦克风产品组合，能够满足各种音频系统需求。除了模拟接口单元外，还提供具有PDM和I²S数字接口的多种麦克风。Same Sky的MEMS麦克风采用紧凑、超薄封装，尺寸小至2.75 x 1.85 x 0.90毫米，为用户提供更优质的音频质量和性能。这些MEMS麦克风的灵敏度范围为-42 dB至-26 dB，信噪比范围为57 dBA至65 dBA，灵敏度公差低至±1 dB，非常适合各种便携式消费电子产品应用。为了便于原型设计和测试，Same Sky还提供了MEMS麦克风开发套件，其中包含四个独立的麦克风评估电路。

Same Sky 的MEMS麦克风提供顶部和底部端口版本、模拟和数字选项，灵敏度范围从-42 dB到-26 dB，电流消耗最低仅为80 µA。

结论

MEMS麦克风具有体积小和抗噪能力强的优点，是众多消费类应用产品的首选。同一片天（Same Sky）提供具有不同灵敏度和接口的产品类型，并提供完整的设计资源，帮助客户快速开发相关产品，值得深入了解和采用。