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ECM vs MEMS麦克风:是否越新越好?

2021-12-01 10:00:00

不久前,如果看到有人对着他们的冰箱或电烤箱说话,你可能会怀疑他们是否工作太辛苦,或许需要休假了。令人难以置信的是,这正在迅速成为一种日常现象,不再受到人们的质疑或引起诧异的眼神。语音正迅速成为用户控制我们日常生活中激增的物联网设备的首选界面。因此,麦克风的选择正成为这类电子设备以及其他电子设备的重要设计考虑因素。

在本文中,我们回顾了两种最常见的麦克风技术——微机电系统(MEMS)麦克风和驻极体电容麦克风(ECM)(图1)。简要解释了它们的工作原理并考虑了它们的相对优点,然后考虑了在为不同应用进行选择时要注意什么。

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图 1:MEMS与ECM对比

什么是MEMS麦克风?

MEMS是一个术语,用于描述高度微型化的元器件和系统,它们位于使用半导体制造工艺创建的裸芯片上。这使得MEMS麦克风足够小,可以安装在印制电路板(PCB)上,如图2所示。

这种“顶部端口”MEMS麦克风包含一个带有小孔的保护金属外壳,从而可以让声音进入外壳。在“底部端口”版本中,声音通过PCB上的一个孔从下方进入外壳。

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图2:MEMS麦克风的内部结构

MEMS麦克风如何工作?

MEMS麦克风包含一个将声音转换为电能的换能器。换能器由一个隔膜构成,用作存储电压的电容器。进入外壳的声波会导致隔膜振动,从而改变电容器中存储的电压。在对这种微小的可变电信号进行检测并将其发送到音频前置放大器放大到足够大后,就可以进行进一步的模拟处理(图3)或使用模数转换器(ADC)将其转换为数字形式——放大器和ADC通常位于与换能器不同的裸片上。

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图3:模拟MEMS原理图

脉冲密度调制(PDM)是一种常用于传输数字音频的编码方案,因为它只需要使用一个时钟信号与音频数据流一起发送,从而简化了接收器处的信号解码(图4)。

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图4:数字MEMS原理图

在其他MEMS版本中,音频信号使用抽取滤波器直接在麦克风外壳内进行滤波和处理,从而可以直接连接到数字信号处理器(DSP)或微处理器。这种被称为I2S的数字音频编码方案,在许多情况下不需要使用ADC或编解码器。

MEMS麦克风有哪些优势?

MEMS是一种新制造技术,支持在与麦克风换能器相同的封装中制造和放置额外的模拟和数字电路(前置放大器等)。这带来了几个优点:

首先,彼此靠近的电路元件会表现出紧密匹配的性能特征,包括温度稳定性——这在使用阵列的应用中是项重要规格。

其次,较小封装的MEMS麦克风更容易被PCB贴片机所处理,同时所需的电路板空间也更少,这最终就转化为制造过程中的成本节约。

另外,虽然数字MEMS麦克风本质上是抗噪声的,但模拟MEMS麦克风具有输出阻抗低的优势,这使得其不易受到不期望的电噪声干扰。MEMS麦克风在耐受外部机械振动和PCB制造过程中回流焊时所出现的极端温度变化方面也很强。

什么是ECM?

ECM的工作原理与MEMS麦克风相类似,但构造不同。它包含一个通过气隙电介质与拾取板隔开的驻极体隔膜,它们一起充当一个固定的存储电荷电容器(图5)。

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图5:典型ECM的内部结构

ECM如何工作?

在声波的作用下,驻极体隔膜发生振动,从而使电容发生改变(ΔC)。由于存储的电荷(Q)是固定的,根据等式ΔV=Q/ΔC,电容器两端的电压必须响应隔膜的振动而发生变化(ΔV)。这就是它将声音转换为电能的方式。电压信号被发送到JFET晶体管的栅极——该晶体管也位于麦克风外壳内,并作为共源放大器与外部负载电阻器和隔直电容器一起工作(图6)。

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图6:典型ECM的原理图

ECM的优点是什么?

ECM可以通过多种方式连接到应用电路,从而为系统设计人员提供极大的灵活性。连接方案包括电线、引脚、焊盘、SMT和弹簧触点。尽管在大多数情况下其在物理上比MEMS麦克风大,但这种明显的缺点实际上为其提供了一个主要优势,即在存在环境湿气和灰尘的情况下性能更佳。

因此,ECM通常具有比MEMS麦克风更高的防护等级(IP)。这种器件还可以在很宽的电压范围内工作,这在电源不稳定的应用中是个优势。

应该选择哪个,MEMS还是ECM?

由于尺寸小、抗电噪声性能和机械鲁棒性好,MEMS麦克风正变得越来越流行。然而,这并不意味着其实际上就是每个应用的最佳选择。许多传统应用有可能只需要对其目前所用的ECM进行简单更改或升级,就可以从中受益。除了其出色的IP等级能够使其在恶劣的环境中获得良好性能以外,ECM的内在特性还使其成为了受益于降噪或单向性的应用的绝佳选择。

如果我们的设计空间特别有限(例如在智能手机、可穿戴设备、植入式助听器等中),或者可能需要在整个设备中分布多个麦克风(例如在VR耳机中),那么MEMS可能就是更好的选择。

相反,如果要优先考虑在具有挑战性的工作条件下提高性能或适应性,那么ECM可能就是更合适的途径。因此,专业音频设备、声控家庭助理、语音识别系统以及其他广泛的应用将继续依靠这种器件。

如果能与一家全面了解ECM和MEMS麦克风特性以及各自优势的公司进行合作,那么就可以做出最佳的选择。

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