基于雙線式麥克風(fēng)電路中使用MEMS麥克風(fēng)

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(huì)介紹這些區(qū)別，并根據(jù)一個(gè)簡(jiǎn)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(hào)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(hào)會(huì)經(jīng)過交流耦合。

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(yǔ)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(gè)引腳：左側(cè)音頻輸出、右側(cè)音頻輸出、麥克風(fēng)信號(hào)以及接地。在這種設(shè)計(jì)中，ECM的輸出信號(hào)和直流偏置電壓在同一信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)通常會(huì)經(jīng)過交流耦合。

圖1. ECM電路連接

相對(duì)于ECM，使用MEMS麥克風(fēng)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)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(shí)需要進(jìn)行的電路更改

對(duì)于原本圍繞ECM設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，改用MEMS麥克風(fēng)時(shí)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(hào)，例如使用耳機(jī)式麥克風(fēng)時(shí)。如果對(duì)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(hào)鏈中直流偏置提供的下游信號(hào)與麥克風(fēng)的輸出信號(hào)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(hào)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(gè)2.2 k 偏置電阻。

圖2. 將一根線用于電源和輸出信號(hào)的MEMS麥克風(fēng)

圖2顯示了一個(gè)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(huì)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(gè)電阻，將有固定電流從中流過。VDD = 1.8 V時(shí)，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(shí)，該麥克風(fēng)可建模為一個(gè)10 k 的電阻。要求解合適的電阻R1值，所用的分壓器公式為：

[麥克風(fēng)VDD] = [偏置電壓] ×(10 k /(10 k + R1 + R偏置))