MIC基礎(chǔ)知識(shí)資料

1、阮宏飛NeoMEMsAgendaHistoryMicrophone varietiesDirectional CharacteristicsParameter阮宏飛NeoMEMs 麥克風(fēng)，學(xué)名為傳聲器，是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的麥克風(fēng)，學(xué)名為傳聲器，是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件，由能量轉(zhuǎn)換器件，由MicrophoneMicrophone翻譯而來(lái)。也稱話筒、微音器。翻譯而來(lái)。也稱話筒、微音器。 首先來(lái)回顧一下麥克風(fēng)的發(fā)展史，有人可能知道在愛(ài)迪生首先來(lái)回顧一下麥克風(fēng)的發(fā)展史，有人可能知道在愛(ài)迪生留聲機(jī)中，那個(gè)受話器其實(shí)就是麥克風(fēng)的雛形。麥克風(fēng)是錄音留聲機(jī)中，那個(gè)受話器其實(shí)就是麥克風(fēng)的雛形

2、。麥克風(fēng)是錄音環(huán)節(jié)中負(fù)責(zé)收集聲音的設(shè)備，在最初的機(jī)械錄音中，麥克風(fēng)環(huán)節(jié)中負(fù)責(zé)收集聲音的設(shè)備，在最初的機(jī)械錄音中，麥克風(fēng)( (受受話器話器) )負(fù)責(zé)將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為振膜的振動(dòng)，并將這種振動(dòng)傳遞給負(fù)責(zé)將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為振膜的振動(dòng)，并將這種振動(dòng)傳遞給細(xì)針，以刻錄錫箔。后來(lái)，磁性錄音技術(shù)的崛起，麥克風(fēng)也隨細(xì)針，以刻錄錫箔。后來(lái)，磁性錄音技術(shù)的崛起，麥克風(fēng)也隨之發(fā)展成為一種將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的設(shè)備之發(fā)展成為一種將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的設(shè)備 。 二十世紀(jì)，麥克風(fēng)由最初通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換聲電發(fā)展為電感、二十世紀(jì)，麥克風(fēng)由最初通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換聲電發(fā)展為電感、電容式轉(zhuǎn)換，大量新的麥克風(fēng)技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，這其中包括鋁電容

3、式轉(zhuǎn)換，大量新的麥克風(fēng)技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，這其中包括鋁帶、動(dòng)圈等麥克風(fēng)，以及當(dāng)前廣泛使用的電容麥克風(fēng)和駐極體麥帶、動(dòng)圈等麥克風(fēng)，以及當(dāng)前廣泛使用的電容麥克風(fēng)和駐極體麥克風(fēng)。克風(fēng)。阮宏飛NeoMEMs麥克風(fēng)的分類麥克風(fēng)的分類1.1.按換能原理按換能原理2.2.按輸出信號(hào)按輸出信號(hào)3.3.按指向性按指向性/ /聲場(chǎng)作用力聲場(chǎng)作用力4.4.按尺寸按尺寸5.5.按接口按接口阮宏飛NeoMEMs 按換能原理按換能原理2.Dynamic Microphone3.Condenser Microphone4.Piezoelectric Microphone1.Carbon Microphone阮宏飛NeoMEM

4、sCarbon Microphone 碳精話筒的原理，就是不同強(qiáng)度的聲音產(chǎn)生的壓力不同，碳精話筒的原理，就是不同強(qiáng)度的聲音產(chǎn)生的壓力不同，導(dǎo)致炭精顆粒之間的接觸電阻變化，流過(guò)話筒的電流會(huì)跟著變導(dǎo)致炭精顆粒之間的接觸電阻變化，流過(guò)話筒的電流會(huì)跟著變化，這樣就把聲音變成了電信號(hào)。碳精話筒能夠直接由聲化，這樣就把聲音變成了電信號(hào)。碳精話筒能夠直接由聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為有一定強(qiáng)度的電信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)強(qiáng)度可達(dá)音信號(hào)轉(zhuǎn)換為有一定強(qiáng)度的電信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)強(qiáng)度可達(dá)-200dB-200dB之間，不必經(jīng)任何處理就可以直接在電信網(wǎng)中傳輸。之間，不必經(jīng)任何處理就可以直接在電信網(wǎng)中傳輸。相對(duì)而言，由其他技術(shù)體系實(shí)現(xiàn)的

5、受話器，話筒信號(hào)均須經(jīng)過(guò)相對(duì)而言，由其他技術(shù)體系實(shí)現(xiàn)的受話器，話筒信號(hào)均須經(jīng)過(guò)約約2030dB2030dB的放大才可以在電信網(wǎng)中傳輸。也就是說(shuō)，碳的放大才可以在電信網(wǎng)中傳輸。也就是說(shuō)，碳精話筒本身具有約相當(dāng)于精話筒本身具有約相當(dāng)于20dB20dB的增益。的增益。阮宏飛NeoMEMsCarbon Microphone阮宏飛NeoMEMs在我國(guó)的通信網(wǎng)中，直到在我國(guó)的通信網(wǎng)中，直到19961996年以后，才逐步淘汰碳精式年以后，才逐步淘汰碳精式話筒。話筒。淘汰碳精話筒的理由，主要是由于它存在以下缺點(diǎn)：淘汰碳精話筒的理由，主要是由于它存在以下缺點(diǎn)：1 1、頻率響應(yīng)差。、頻率響應(yīng)差。2 2、易老化，用

6、得久了性能劣化嚴(yán)重。、易老化，用得久了性能劣化嚴(yán)重。3 3、體積大、重量大。、體積大、重量大。Carbon Microphone阮宏飛NeoMEMsDynamic Microphone阮宏飛NeoMEMsDynamic Microphone阮宏飛NeoMEMsCondenser MicrophoneSound wavesDiaphragmBack PlateBatteryResistanceSignal阮宏飛NeoMEMsCondenser Microphone 傳統(tǒng)傳統(tǒng)ECMECM是在一個(gè)金屬殼體內(nèi)，包括一片可移動(dòng)的是在一個(gè)金屬殼體內(nèi)，包括一片可移動(dòng)的永久充電永久充電振膜振膜（高分子聚合材料

7、振動(dòng)膜）和一片與之平行的（高分子聚合材料振動(dòng)膜）和一片與之平行的剛性背極板剛性背極板以及以及場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)(FET)構(gòu)成，聲波使振膜彎曲，改變振膜和背構(gòu)成，聲波使振膜彎曲，改變振膜和背極板之間的氣隙間距，從而使振膜和背板之間的電容發(fā)生改變，極板之間的氣隙間距，從而使振膜和背板之間的電容發(fā)生改變，這種改變以交變電壓信號(hào)的形式輸出，可以反映出入聲口處聲這種改變以交變電壓信號(hào)的形式輸出，可以反映出入聲口處聲波的頻率和幅度變化。波的頻率和幅度變化。阮宏飛NeoMEMsPiezoelectric Microphone MEMS 麥克風(fēng)就是用MEMS 技術(shù)加工的麥克風(fēng)產(chǎn)品，也簡(jiǎn)稱為硅麥

8、克風(fēng)。 MEMS麥克風(fēng)內(nèi)含兩塊CMOS芯片 MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）芯片和ASIC（專用IC）芯片。兩顆芯片被封裝在一個(gè)由PCB與金屬外殼組合的SMD 表面貼裝器件中。 MEMS 芯片主要由硅材料制作的背極和一片彈性硅膜組成，以其代替ECM麥克風(fēng)中的振膜與背極板組成的電容，可以將聲壓轉(zhuǎn)換為電容變化。 ASIC 芯片用于檢測(cè)MEMS 電容變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳遞給相關(guān)處理器件，如配套設(shè)備的前置放大器或音頻輸入接口等。阮宏飛NeoMEMsMEMS麥克風(fēng)原理示意圖MEMS麥克風(fēng)封裝示意圖阮宏飛NeoMEMs 二者對(duì)比二者對(duì)比 1 1 針對(duì)傳統(tǒng)麥克風(fēng)而言，不論是制作針對(duì)傳統(tǒng)麥克風(fēng)而言，不論是制作E

9、CMECM振膜和背極板的振膜和背極板的材料，還是材料，還是ECMECM的永久振膜充電工藝，由于現(xiàn)有高分子駐極材的永久振膜充電工藝，由于現(xiàn)有高分子駐極材料的溫度局限性，在表面安裝必需的高溫下，電荷駐極性能料的溫度局限性，在表面安裝必需的高溫下，電荷駐極性能都會(huì)因活躍電荷的逃逸顯著下降。因?yàn)槎紩?huì)因活躍電荷的逃逸顯著下降。因?yàn)镋CMECM不能進(jìn)行表面安裝，不能進(jìn)行表面安裝，而而需手工組裝，故與能夠采用自動(dòng)分撿需手工組裝，故與能夠采用自動(dòng)分撿(pick and place)(pick and place)組組裝工藝，能被焊接到電路板上的元裝工藝，能被焊接到電路板上的元件相比，它的組裝成本更件相比，它的

10、組裝成本更高，可靠性更低。高，可靠性更低。 MEMS MEMS 麥克風(fēng)是采用標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)是采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS CMOS 材料和工藝制作的，它們材料和工藝制作的，它們的構(gòu)成材料硅在本質(zhì)上就能夠的構(gòu)成材料硅在本質(zhì)上就能夠耐受表面安裝時(shí)所需的高溫環(huán)耐受表面安裝時(shí)所需的高溫環(huán)境境。 2.MEMS 2.MEMS麥克風(fēng)麥克風(fēng)ICIC結(jié)構(gòu)特性使其結(jié)構(gòu)特性使其占位面積和高度比傳統(tǒng)占位面積和高度比傳統(tǒng)ECMECM尺寸小得多尺寸小得多，特殊的封裝結(jié)構(gòu)又使這種麥克風(fēng)系統(tǒng)的總體高，特殊的封裝結(jié)構(gòu)又使這種麥克風(fēng)系統(tǒng)的總體高度顯著降低，尤其可以制作出稱為零高度安裝的特殊結(jié)構(gòu)度顯著降低，尤其可以制作出稱為零高度安裝的特殊結(jié)構(gòu)

11、3. MEMS 3. MEMS麥克風(fēng)振膜的尺寸和質(zhì)量都很小，較之直徑麥克風(fēng)振膜的尺寸和質(zhì)量都很小，較之直徑4-4-6mm 6mm 的的ECM ECM 振膜，其直徑小于振膜，其直徑小于0.5mm0.5mm，提高了，提高了抗振動(dòng)性噪音干抗振動(dòng)性噪音干擾能力擾能力阮宏飛NeoMEMs按輸出信號(hào)按輸出信號(hào)2. Digital Microphone1. Analog Microphone阮宏飛NeoMEMs數(shù)字麥克風(fēng)傳統(tǒng)ECM麥克風(fēng)阮宏飛NeoMEMs 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào) 模擬數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)(Analog Data)(Analog Data)是由傳感器采集得到的連續(xù)變化是由傳感器采集得到

12、的連續(xù)變化的值，例如溫度、壓力的值，例如溫度、壓力 數(shù)字信號(hào)是一種離散信號(hào)，通過(guò)電壓脈沖即電壓的高與低數(shù)字信號(hào)是一種離散信號(hào)，通過(guò)電壓脈沖即電壓的高與低兩種形式表示要傳輸?shù)臄?shù)兩種形式表示要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)據(jù)。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(Digital Data)(Digital Data)則是模則是模擬數(shù)據(jù)經(jīng)量化后得到的離散的擬數(shù)據(jù)經(jīng)量化后得到的離散的值值 數(shù)字麥克風(fēng)便是將采集到的聲壓這一連續(xù)變化的模擬物理數(shù)字麥克風(fēng)便是將采集到的聲壓這一連續(xù)變化的模擬物理量，直接轉(zhuǎn)換為特定編碼格式的數(shù)字脈沖信號(hào)輸出，供量，直接轉(zhuǎn)換為特定編碼格式的數(shù)字脈沖信號(hào)輸出，供ITIT應(yīng)用應(yīng)用設(shè)備進(jìn)行加工處理。設(shè)備進(jìn)行加工處理。阮宏飛N

13、eoMEMs模擬麥克風(fēng)輸出信號(hào)波形模擬麥克風(fēng)輸出信號(hào)波形數(shù)字麥克風(fēng)輸出脈沖信號(hào)數(shù)字麥克風(fēng)輸出脈沖信號(hào)阮宏飛NeoMEMs引腳引腳 與傳統(tǒng)麥克風(fēng)的兩只引腳結(jié)構(gòu)不同，數(shù)字麥克風(fēng)一般具與傳統(tǒng)麥克風(fēng)的兩只引腳結(jié)構(gòu)不同，數(shù)字麥克風(fēng)一般具有有4 45 5 只引腳，其功能分別為只引腳，其功能分別為Vdd-Vdd-電源輸入電源輸入、GND-GND-地線地線、CLK-CLK-時(shí)鐘輸入時(shí)鐘輸入、DATA-DATA-數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出、L/R-L/R-左右聲道輸出信號(hào)左右聲道輸出信號(hào)選擇。選擇。根據(jù)客戶需求，也可將根據(jù)客戶需求，也可將L/R L/R 選擇端采取內(nèi)部連接而形成選擇端采取內(nèi)部連接而形成4 4 引引腳結(jié)構(gòu)，

14、也有的腳結(jié)構(gòu)，也有的ICIC芯片廠家同時(shí)供應(yīng)不同型號(hào)的芯片廠家同時(shí)供應(yīng)不同型號(hào)的L L或或R R聲道芯聲道芯片供客戶選用。片供客戶選用。阮宏飛NeoMEMs數(shù)字麥克風(fēng)優(yōu)點(diǎn)數(shù)字麥克風(fēng)優(yōu)點(diǎn) 1. 1.數(shù)字脈沖信號(hào)輸出強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)模擬數(shù)字脈沖信號(hào)輸出強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)模擬ECM ECM 麥克風(fēng)麥克風(fēng)信號(hào)，這樣在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可以不必為防止電磁干擾而必須要信號(hào)，這樣在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可以不必為防止電磁干擾而必須要求采用屏蔽線及連線長(zhǎng)度的考慮而費(fèi)心，相應(yīng)還可以降低設(shè)求采用屏蔽線及連線長(zhǎng)度的考慮而費(fèi)心，相應(yīng)還可以降低設(shè)計(jì)成本。數(shù)字麥克風(fēng)在沒(méi)有時(shí)鐘輸入期間可以自動(dòng)進(jìn)入省電計(jì)成本。數(shù)字麥克風(fēng)在沒(méi)有時(shí)鐘輸入期間可以自動(dòng)

15、進(jìn)入省電休眠狀態(tài)，這一功能非常適合于采用電池供電的便攜式設(shè)備。休眠狀態(tài)，這一功能非常適合于采用電池供電的便攜式設(shè)備。 2. 2.與模擬麥克風(fēng)相比，數(shù)字麥克風(fēng)可以提供更好的信噪與模擬麥克風(fēng)相比，數(shù)字麥克風(fēng)可以提供更好的信噪比以及更好抗比以及更好抗RFRF和和EMIEMI干擾能力。在數(shù)字麥克風(fēng)或傳統(tǒng)的駐干擾能力。在數(shù)字麥克風(fēng)或傳統(tǒng)的駐極體電容麥克風(fēng)之后，跟隨一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路，將在極體電容麥克風(fēng)之后，跟隨一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路，將在給定的采樣速率輸出條件下直接向新總線提供音頻采樣。數(shù)給定的采樣速率輸出條件下直接向新總線提供音頻采樣。數(shù)字麥克風(fēng)的數(shù)據(jù)可以更加直接由字麥克風(fēng)的數(shù)據(jù)可以更加直接由CP

16、UCPU軟件控制，以提供多種軟件控制，以提供多種語(yǔ)音處理功能。語(yǔ)音處理功能。阮宏飛NeoMEMs按指向性按指向性/ /聲場(chǎng)作用力聲場(chǎng)作用力2.Uni-directional3.Bi-directional1.Omni-directional阮宏飛NeoMEMsOmni-directionalCardio(Uni-directional)Hype-cardioBi-directionalCommon polar patterns for microphones(microphone facing up in diagram) 阮宏飛NeoMEMsAn Omni-directional micro

17、phone (also known as a pressure microphone) is a microphone that picks up sound equally well from any direction. The front of the microphone does not have to be aimed at the source.1.Omni-directional阮宏飛NeoMEMsA directional microphone that is more sensitive to sound coming in from the front direction

18、 of the microphone. The microphone picks up the sound entering from the front of the microphone while dampening the sound from the rear.2.Uni-directional阮宏飛NeoMEMsA noise canceling microphone is a directional microphone designed for use at a close distance to the talkers mouth. These microphones can

19、cel sound pressure beyond this distance due to the amplitude of the frequency applying equal pressure from both side of the microphone.3.Bi-directional阮宏飛NeoMEMs按尺寸按尺寸1.3.0/4.0*1.0/1.52.6.0*1.5/2.2/2.73.9.8*5.0阮宏飛NeoMEMs按接口按接口(Terminal Type)(Pin Type)(SMD TYPE)(Contact Type)阮宏飛NeoMEMs阮宏飛NeoMEMs頻率響應(yīng)頻

20、率響應(yīng)frequency responsefrequency response 頻率響應(yīng)又稱帶寬頻率響應(yīng)又稱帶寬(frequency range)(frequency range)，是指麥克風(fēng)感應(yīng)聲波，是指麥克風(fēng)感應(yīng)聲波頻率的范圍，并將聲波能量忠實(shí)的轉(zhuǎn)換為電子訊號(hào)的能力。麥克風(fēng)頻率的范圍，并將聲波能量忠實(shí)的轉(zhuǎn)換為電子訊號(hào)的能力。麥克風(fēng)接受到不同頻率聲音時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)隨著頻率的變化而發(fā)生放大或接受到不同頻率聲音時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)隨著頻率的變化而發(fā)生放大或衰減。一般以頻率響應(yīng)曲線圖標(biāo)之。衰減。一般以頻率響應(yīng)曲線圖標(biāo)之。阮宏飛NeoMEMs阮宏飛NeoMEMs靈敏度靈敏度( Sensitivity) 靈

21、敏度代表麥克風(fēng)將聲音能量轉(zhuǎn)換成電壓后所產(chǎn)生的輸出訊靈敏度代表麥克風(fēng)將聲音能量轉(zhuǎn)換成電壓后所產(chǎn)生的輸出訊號(hào)強(qiáng)度，是在麥克風(fēng)單位聲壓激勵(lì)下輸出電壓與輸入聲壓的比值。號(hào)強(qiáng)度，是在麥克風(fēng)單位聲壓激勵(lì)下輸出電壓與輸入聲壓的比值。當(dāng)輸入信號(hào)固定時(shí)當(dāng)輸入信號(hào)固定時(shí)(1kHz)(1kHz)，輸出訊號(hào)越強(qiáng)，代表麥克風(fēng)靈敏度越，輸出訊號(hào)越強(qiáng)，代表麥克風(fēng)靈敏度越高。高。 測(cè)試麥克風(fēng)的靈敏度是將測(cè)試麥克風(fēng)的靈敏度是將1 kHz1 kHz的訊號(hào)在的訊號(hào)在94 dB94 dB的音壓電平位的音壓電平位準(zhǔn)準(zhǔn)( SPL)( SPL)下準(zhǔn)下量測(cè)開路的麥克風(fēng)，取得的毫伏特下準(zhǔn)下量測(cè)開路的麥克風(fēng)，取得的毫伏特( millivolt

22、)( millivolt )值，單位為值，單位為mV / PamV / Pa阮宏飛NeoMEMs等效噪音電平等效噪音電平( Equivalent noise level( Equivalent noise level)等效噪音電平又稱內(nèi)部噪聲等效噪音電平又稱內(nèi)部噪聲( self noise)( self noise)。麥克風(fēng)的內(nèi)部噪聲在無(wú)聲音訊號(hào)輸入狀態(tài)時(shí)可來(lái)自若干個(gè)方面麥克風(fēng)的內(nèi)部噪聲在無(wú)聲音訊號(hào)輸入狀態(tài)時(shí)可來(lái)自若干個(gè)方面1.1.供給麥克風(fēng)電源的電壓波動(dòng)供給麥克風(fēng)電源的電壓波動(dòng)( (偏置電壓偏置電壓) )引起的電子噪音引起的電子噪音2.2.內(nèi)部材質(zhì)電阻內(nèi)部材質(zhì)電阻( (熱噪訊熱噪訊) )，3.3.外部射頻發(fā)射器的干擾等。外部射頻發(fā)射器的干擾等。( (手機(jī)）手機(jī)）等效噪音電平采用由國(guó)際電工協(xié)會(huì)等效噪音電平采用由國(guó)際電工協(xié)會(huì)(IEC)(IEC)所定立的一種測(cè)試音所定立的一種測(cè)試音量的標(biāo)準(zhǔn)所標(biāo)示的音量值，量的標(biāo)準(zhǔn)所標(biāo)示的音量值， 以以dBdB為單位。為單位。高質(zhì)量的麥克風(fēng)，內(nèi)部噪聲通常在高質(zhì)量的麥克風(fēng)，內(nèi)部噪聲通常在15dB A15dB A以下。以下。內(nèi)部噪聲也代表麥克風(fēng)動(dòng)態(tài)范圍的下限。在音源音量較小時(shí)，內(nèi)部噪聲也代表麥克風(fēng)動(dòng)態(tài)范圍的下限。在