TOP5 在雙線式麥克風(fēng)電路中使用MEMS麥克風(fēng)

　　簡介

　　如今MEMS麥克風(fēng)正逐漸取代音頻電路中的駐極體電容麥克風(fēng)（ECM）。ECM和MEMS這兩種麥克風(fēng)的功能相同，但各自和系統(tǒng)其余部分之間的連接卻不一樣。本應(yīng)用筆記將會介紹這些區(qū)別，并根據(jù)一個簡單的基于MEMS麥克風(fēng)的替換電路提供設(shè)計(jì)詳情。

　　音頻電路的ECM連接

　　ECM有兩根信號引線：輸出和接地。麥克風(fēng)通過輸出引腳上的直流偏置實(shí)現(xiàn)偏置。這種偏置通常通過偏置電阻提供，而且麥克風(fēng)輸出和前置放大器輸入之間的信號會經(jīng)過交流耦合。

　　圖1. ECM電路連接

　　ECM的常見用例是在手機(jī)上連接的耳機(jī)中用作內(nèi)聯(lián)式語音麥克風(fēng)。這種情況下，耳機(jī)和手機(jī)之間的連接器有四個引腳：左側(cè)音頻輸出、右側(cè)音頻輸出、麥克風(fēng)信號以及接地。在這種設(shè)計(jì)中，ECM的輸出信號和直流偏置電壓在同一信號線路中傳輸。偏置電壓源通常約為2.2 V.

　　MEMS麥克風(fēng)區(qū)別

　　模擬MEMS麥克風(fēng)的信號引腳上不使用輸入偏置電壓。但是，它是一種三端器件，有不同的引腳分別用于電源、接地和輸出。VDD引腳的供電電壓一般為1.8 至3.3 V.MEMS麥克風(fēng)的信號輸出通過直流電壓實(shí)現(xiàn)偏置，一般等于或接近0.8 V.在設(shè)計(jì)中，該輸出信號通常會經(jīng)過交流耦合。

　　相對于ECM，使用MEMS麥克風(fēng)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于它的電源抑制（PSR）性能更強(qiáng)。MEMS麥克風(fēng)的PSR通常至少為70 dBV，ECM卻根本沒有電源抑制能力，因?yàn)槠秒妷褐苯油ㄟ^電阻連接至麥克風(fēng)。

　　用MEMS麥克風(fēng)取代ECM時需要進(jìn)行的電路更改

　　對于原本圍繞ECM設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，改用MEMS麥克風(fēng)時面臨的基本難題是，電源和麥克風(fēng)輸出沒有單獨(dú)的信號，例如使用耳機(jī)式麥克風(fēng)時。如果對電路進(jìn)行一些小的更改，就可以在此類設(shè)計(jì)中使用MEMS麥克風(fēng)。首先，必須將信號鏈中直流偏置提供的下游信號與麥克風(fēng)的輸出信號隔離。其次，必須將此直流偏置用于為 MEMS麥克風(fēng)供電，而且不能讓麥克風(fēng)的輸出信號干擾電源。直流偏置的隔離可通過交流耦合電容實(shí)現(xiàn)，MEMS麥克風(fēng)的電源可通過仔細(xì)設(shè)計(jì)的電路提供，該電路充當(dāng)分壓器和低通濾波器。以下設(shè)計(jì)中使用了ADMP504 MEMS麥克風(fēng)作為示例。其中用到了一個2.2 k偏置電阻。

　　圖2.將一根線用于電源和輸出信號的MEMS麥克風(fēng)

　　圖2顯示了一個實(shí)現(xiàn)上述功能的設(shè)計(jì)示例。在耳機(jī)的設(shè)計(jì)中，耳機(jī)連接器左側(cè)的電路部分將會在實(shí)際耳機(jī)中，2.2 k偏置電阻和1 F交流耦合電容則在源設(shè)備（例如智能手機(jī)）中。電阻R1和R偏置形成分壓器，MEMS麥克風(fēng)將V偏置電壓降至VDD引腳的供電電壓。根據(jù)V偏置、R偏置和所需VDD電壓的值，電阻R1可能需要非常小，如下例所示。要計(jì)算所需的串聯(lián)電阻（R偏置+ R1），可將麥克風(fēng)建模為一個電阻，將有固定電流從中流過。VDD = 1.8 V時，ADMP504的典型供電電流為180 A.根據(jù)歐姆定律，VDD上的電壓為1.8 V時，該麥克風(fēng)可建模為一個10 k的電阻。要求解合適的電阻R1值，所用的分壓器公式為：

　?。埯溈孙L(fēng)VDD］=［偏置電壓］×（10 k /（10 k + R1 + R偏置））

　　根據(jù)此公式可以算出，一個2.2 k的R偏置電阻和一個499的R1電阻會從2.2 V偏置電壓分出1.73 V到麥克風(fēng)的VDD上。在選擇R1值時，需要進(jìn)行權(quán)衡取舍；如下所示，此值太大會導(dǎo)致VDD過小，但為了防止C2過大，又不能讓此值太小。如今MEMS麥克風(fēng)正逐漸取代音頻電路中的駐極體電容麥克風(fēng)（ECM）。ECM和MEMS這兩種麥克風(fēng)的功能相同，但各自和系統(tǒng)其余部分之間的連接卻不一樣。本應(yīng)用筆記將會介紹這些區(qū)別，并根據(jù)一個簡單的基于MEMS麥克風(fēng)的替換電路提供設(shè)計(jì)詳情。關(guān)鍵詞：MEMSADI

　　圖3顯示了該分壓器的兩種不同模型。左側(cè)，ADMP504麥克風(fēng)建模為180 A電流源；右側(cè)，麥克風(fēng)則建模為具有1.8 V VDD的10 k電阻。

　　圖3.分壓器模型

　　電容C2和電阻R1形成低通濾波器，用于對電壓供電信號中輸出的麥克風(fēng)音頻進(jìn)行濾波。這種濾波器轉(zhuǎn)折頻率應(yīng)該遠(yuǎn)低于麥克風(fēng)本身的濾波器較低轉(zhuǎn)折頻率。將低通濾波器設(shè)計(jì)為至少低于麥克風(fēng)較低轉(zhuǎn)折頻率的兩個倍頻程，這會是一個好的開端。對于ADMP504，此轉(zhuǎn)折頻率為100 Hz.10 F的電容和499的R1電阻可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)折頻率為31 Hz的濾波器。較大的電容或電阻會進(jìn)一步降低此轉(zhuǎn)折頻率，但是該濾波器的電阻大小必須與它對分壓器的貢獻(xiàn)保持平衡，其中，分壓器會向麥克風(fēng)提供VDD.低通濾波器的？3 dB點(diǎn)的計(jì)算公式如下：

　　f-3 dB = 1/（2π×R1×C2）

　　其中：

　　R1為分壓器中的電阻。

　　C2為低通濾波器電容。

　　電容C1對麥克風(fēng)輸出進(jìn)行交流耦合，這樣它的偏置輸出就會與通過手機(jī)提供的麥克風(fēng)偏置電壓隔離。在給定的VDD條件下，憑借R偏置、R1和麥克風(fēng)的等效電阻，該電容還會形成高通濾波器。計(jì)算高通濾波器轉(zhuǎn)折頻率時要考慮的總電阻為與R偏置并聯(lián)的RMIC和R1的串聯(lián)電阻。此電阻的計(jì)算公式為

　　R總=（（RMIC + R1）×R偏置）/（RMIC + R1 + R偏置）

　　對于此處的示例，R總= 1810.高通濾波器轉(zhuǎn)折頻率為：

　　f-3 dB = 1/（2π（R總×C1）

　　要讓濾波器轉(zhuǎn)折頻率至少低于ADMP504低頻滾降頻率100 Hz一個倍頻程的濾波器轉(zhuǎn)折頻率為100 Hz，C1至少應(yīng)該為1.8 F.

　　圖4顯示了一套完整的耳機(jī)電路，其中采用了ADMP504MEMS麥克風(fēng)以及合適的電阻和電容值，并以我們處理的V偏置和R偏置值為依據(jù)。

　　圖4.采用ADMP504 MEMS麥克風(fēng)的電路

　　結(jié)論

　　通過本文介紹的電路，可以實(shí)現(xiàn)在沒有單獨(dú)的電源和麥克風(fēng)輸出信號的設(shè)計(jì)中使用MEMS麥克風(fēng)。該電路只使用兩個電容和一個電阻，即可讓MEMS麥克風(fēng)用于雙線式麥克風(fēng)電路中。