MEMS麥克風電路介紹

如今MEMS麥克風正逐漸取代音頻電路中的駐極體電容麥克風（ECM）。ECM和MEMS這兩種麥克風的功能相同，但各自和系統其余部分之間的連接卻不一樣。本應用筆記將會介紹這些區別，并根據一個簡單的基于MEMS麥克風的替換電路提供設計詳情。

音頻電路的ECM連接

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

ECM的常見用例是在手機上連接的耳機中用作內聯式語音麥克風。這種情況下，耳機和手機之間的連接器有四個引腳：左側音頻輸出、右側音頻輸出、麥克風信號以及接地。在這種設計中，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麥克風區別

模擬MEMS麥克風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麥克風的信號輸出通過直流電壓實現偏置，一般等于或接近0.8 V。在設計中，該輸出信號通常會經過交流耦合。

圖1. ECM電路連接

相對于ECM，使用MEMS麥克風的關鍵優勢在于它的電源抑制（PSR）性能更強。MEMS麥克風的PSR通常至少為70 dBV，ECM卻根本沒有電源抑制能力，因為偏置電壓直接通過電阻連接至麥克風。

用MEMS麥克風取代ECM時需要進行的電路更改

對于原本圍繞ECM設計的系統，改用MEMS麥克風時面臨的基本難題是，電源和麥克風輸出沒有單獨的信號，例如使用耳機式麥克風時。如果對電路進行一些小的更改，就可以在此類設計中使用MEMS麥克風。首先，必須將信號鏈中直流偏置提供的下游信號與麥克風的輸出信號隔離。其次，必須將此直流偏置用于為 MEMS麥克風供電，而且不能讓麥克風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現，MEMS麥克風的電源可通過仔細設計的電路提供，該電路充當分壓器和低通濾波器。以下設計中使用了ADMP504 MEMS麥克風作為示例。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

圖2顯示了一個實現上述功能的設計示例。在耳機的設計中，耳機連接器左側的電路部分將會在實際耳機中，2.2 k偏置電阻和1 F交流耦合電容則在源設備（例如智能手機）中。電阻R1和R偏置形成分壓器，MEMS麥克風將V偏置電壓降至VDD引腳的供電電壓。根據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。要計算所需的串聯電阻（R偏置 + R1），可將麥克風建模為一個電阻，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。根據歐姆定律，VDD上的電壓為1.8 V時，該麥克風可建模為一個10 k 的電阻。要求解合適的電阻R1值，所用的分壓器公式為：

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

根據此公式可以算出，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到麥克風的VDD上。在選擇R1值時，需要進行權衡取舍;如下所示，此值太大會導致VDD過小，但為了防止C2過大，又不能讓此值太小。 如今MEMS麥克風正逐漸取代音頻電路中的駐極體電容麥克風（ECM）。ECM和MEMS這兩種麥克風的功能相同，但各自和系統其余部分之間的連接卻不一樣。本應用筆記將會介紹這些區別，并根據一個簡單的基于MEMS麥克風的替換電路提供設計詳情。

圖3. 分壓器模型

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

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音頻進行濾波。這種濾波器轉折頻率應該遠低于麥克風本身的濾波器較低轉折頻率。將低通濾波器設計為至少低于麥克風較低轉折頻率的兩個倍頻程，這會是一個好的開端。對于ADMP504，此轉折頻率為100 Hz。10 F的電容和499 的R1電阻可實現轉折頻率為31 Hz的濾波器。較大的電容或電阻會進一步降低此轉折頻率，但是該濾波器的電阻大小必須與它對分壓器的貢獻保持平衡，其中，分壓器會向麥克風提供VDD。低通濾波器的?3 dB點的計算公式如下：

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

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

對于此處的示例，R總 = 1810 。高通濾波器轉折頻率為：

f?3 dB = 1/（2π（R總 × C1）

要讓濾波器轉折頻率至少低于ADMP504低頻滾降頻率100 Hz一個倍頻程的濾波器轉折頻率為100 Hz，C1至少應該為1.8 F。

圖4. 采用ADMP504 MEMS麥克風的電路

圖4顯示了一套完整的耳機電路，其中采用了ADMP504MEMS麥克風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。

結論

通過本文介紹的電路，可以實現在沒有單獨的電源和麥克風輸出信號的設計中使用MEMS麥克風。該電路只使用兩個電容和一個電阻，即可讓MEMS麥克風用于雙線式麥克風電路中。