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MEMS麥克風技術
滿足音量市場性能要求

【作者: Masahito Kanaya】   2017年06月23日 星期五

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智慧手機和平板電腦等裝置的擁有者們總是希望能夠以新方式使用裝置,並期望極高的性能。板上(On-board)音訊功能是一個典型例子。人們希望能夠記錄社會事件、音樂表現,並期待精準、逼真的播放,或享受無背景噪音的高語音通話品質,不管是在戶外或在車上。更希望在進一步捕捉麥克風的聲音時之餘能保有好的音訊品質。


這些趨勢需要更高性能的麥克風,一些手機還能利用使用兩個或兩個以上的麥克風,達到雜訊消除或影音模式下的3D聲音。此外,對用戶聲音給予反應的智慧數位助理也正改變人們與電腦的互動方式,可以將高性能音訊子系統帶進更多產品,例如穿戴式和未來的物聯網裝置。


因此,對微機電系統(MEMS)麥克風的需求越來越多,MEMS麥克風在簡潔的外觀之餘,同時提供高性能、保真度及可靠性,適用於攜帶式裝置。根據市場研究公司IHS Technology,MEMS麥克風市場預計將從2015年的36億個增長到2019年的60億個以上。


MEMS麥克風的結構和工作模式概述

MEMS麥克風含一個可移動的膜片和靜態背板,矽晶圓基板上採用常見的沉積和選擇性蝕刻的工藝製作。背板有穿孔,允許空氣流通而不引起偏離。膜片的設計是為了適應聲波引起的氣壓變化。彎曲會造成膜片相對背板移動,產生一定比例的電容變化。與MEMS換能器共同封裝的一個配套IC將此電容變化轉換成一個類比或數位格式的電訊號。


市場上有類比或數位輸出的MEMS麥克風。類比麥克風基本上包含MEMS換能器和配套的類比放大器積體電路(IC),是一種用於小型手持裝置的熱門方案,像是功能手機與入門級到中階的智慧型手機。


數位化

整合類比調節訊號和類比數位轉換器(ADC)的數位麥克風通常是PC或高階智慧型手機的首選裝置。數位技術利用固有的更高射頻和抗電磁干擾(EMI)實現更佳的音訊性能,如圖一所示。此外,電路設計和電路板佈局可以簡化,更易於更動設計,無需修改電阻和電容值。



圖一 : 數位化改進抗噪性
圖一 : 數位化改進抗噪性

大多的數位麥克風還有時脈和一個L / R控制的輸入。時脈輸入用來控制Δ?調變器,將感測器的類比訊號轉換成數位脈衝密度調變(PDM)訊號。典型的時脈頻率範圍從1MHz至3.5 MHz。麥克風的輸出被驅動到所選擇的時脈邊緣的適當水準,接著進入一個高阻抗狀態的時脈週期的另一半。這使兩個數位麥克風輸出能共用單條數據線(圖二)。L / R輸入確定有效數據的時脈邊緣。



圖二 : 數位麥克風可減少傳輸線數量
圖二 : 數位麥克風可減少傳輸線數量

數位MEMS麥克風具有高抗噪性和簡化電路設計的優點,適用於多麥克風陣列以消除回音和雜訊,以及波束形成以實現定向靈敏度。為讓智慧型手機能消除雜訊,一種常見方法是在遠離主語音麥克風之處放置一個或多個額外麥克風,例如在外殼邊緣或背面,檢測來自周圍環境的雜訊,再從語音麥克風的輸出中減去,能提高通話品質。降噪麥克風也經常用於影音錄製模式。


波束形成還使用到兩個或多個麥克風陣列。雖然大多數麥克風有全向靈敏度,但一些應用可得益於一個特定方向所增加的靈敏度或在其他方向降低靈敏度,例如在電話會議中或行車通話時提高音訊品質和清晰度。根據從不同方向傳來的聲音相位差,波束形成可利用數位演算法到陣列的麥克風輸出,而且還能判定特定聲音傳來的方向。


專用積體電路(ASIC)設計介紹

麥克風模組製造商利用選擇合適的MEMS麥克風套件區分產品,當中已有一對優化的MEMS感測器和ASIC。



圖三 : 麥克風專家選擇合適的MEMS麥克風套件
圖三 : 麥克風專家選擇合適的MEMS麥克風套件

安森美半導體致力於開發高度整合的數位MEMS麥克風ASIC,可以結合獨立MEMS供應商所製造的各種MEMS換能器。例如LC706200數位IC系列,除了整合類比放大器和低通濾波器,還整合前饋式delta-sigma ADC,如圖四所示。還有一個電荷泵, 為MEMS換能器提供工作電壓。



圖四 : 一個前饋delta-sigma ADC實現一個整合數位輸出的小占位麥克風
圖四 : 一個前饋delta-sigma ADC實現一個整合數位輸出的小占位麥克風

安森美半導體的數位ASIC滿足關鍵性能標準,可以幫助當今MEMS麥克風設計人員克服所面臨的挑戰。其中,高訊噪比(SNR)是必需的,在麥克風用於更大的距離時支持清晰的性能,以及用於通常更清晰的音訊擷取。特別是自動語音辨識演算法依賴高訊噪比以達到良好的文字準確率。現在需要訊噪比大於64db的ASIC,輔以MEMS工程師實現的進展,以優化換能器的特點。


隨著終端用戶因為日益增多的各種應用而渴求智慧手機等裝置有更好的效果,麥克風必須可以在嘈雜環境中毫無失真地運行到高聲壓級(SPL),例如社交用戶能進行高品質的錄音,捕捉在音樂節的現場體驗。


數位MEMS麥克風用於未來的獨立語音指令

由於語音辨識引擎和強大的語音助手,如Siri、「OK Google」和亞馬遜Echo,物聯網和攜帶式裝置領域對語音指令功能有高要求。目前的語音辨識系統通常一直在執行狀態,花費相當大量功耗在聆聽和識別語音。未來的語音指令功能將有望獨立工作,並在語音啟動時打開。低功耗數位MEMS麥克風技術將適用於未來獨立的語音觸發方案—性能會非常好,功耗極低,比較容易添加到現有設計中。


演算法如雜訊消除和波束形成,分析來自多個麥克風的訊號,需要依靠近似匹配陣列中個別麥克風的靈敏度,理想值在+/-1dB以內。雖然篩選或分級是一個潛在的方案,麥克風設計人員正在尋找ASIC以提供可調增益,在MEMS製造中實現製程相關變化的調整。


LC706200產品系列提供高性能的方案。它有一些其他功能,確保在寬工作範圍增強的線性性能,包括-106dBFS的低輸入參考雜訊,具有8kHz低通濾波器的優勢實現峰值補償,和利用安森美半導體的千兆歐姆電阻製程的低噪內部偏置和調節電路。該元件還具有高電源抑制比(PSRR),防止進入訊號鏈的不利雜訊,以及保持對語音指令給予回應的電源管理,包括睡眠模式和低功耗模式。


結語

人們使用電腦和智慧裝置方式的變化推動了對高性能、可靠MEMS麥克風的需求。當前市場的數位ASIC最大化了麥克風開發人員的自由,以提供同類最佳產品來滿足這些需求。


(本文作者Masahito Kanaya為安森美半導體產品市場行銷員)


**刊頭圖(Source:https://static.pexels.com)


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