麥克風(fēng)(又稱傳聲器或換能器)每年的銷售一半是非常廉價(jià)的低檔傳聲器,，面向玩具市場以及對(duì)尺寸和性能參數(shù)要求不太嚴(yán)格的其它應(yīng)用,。另一半是便攜式、高端應(yīng)用市場,，例如移動(dòng)電話,、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī),、筆記本電腦等,。移動(dòng)電話被視為麥克風(fēng)市場中增速最快的部分。移動(dòng)電話的體積越來越小,，而功能越來越多,，因此對(duì)下一代麥克風(fēng)性能的要求不斷提高。

麥克風(fēng)產(chǎn)品應(yīng)具有以下特性：小尺寸使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更特別;防水,，防潑濺產(chǎn)品專為戶外使用設(shè)計(jì),，適應(yīng)高濕度環(huán)境;寬頻響范圍產(chǎn)品(己包括超聲頻段)，可用于語音,，音樂和檢測設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計(jì)中;超強(qiáng)的抗噪設(shè)計(jì)(包括防水)可用于高噪聲環(huán)境;低功耗產(chǎn)品解決耗電難題;平衡電樞式麥克風(fēng)(BJ系列)提供自身信號(hào)源;壓電陶麥克風(fēng)適應(yīng)不同惡劣環(huán)境,，震動(dòng)靈敏度高。

可以概括地說現(xiàn)代麥克風(fēng)產(chǎn)品最大特點(diǎn)是MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)的 貼片式(SMD)與數(shù)字化,、小型化,。

下面介紹駐極體電容式麥克風(fēng)、MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))SMD硅晶麥克風(fēng),、數(shù)字麥克風(fēng)及超聲波聲學(xué)貼片傳感器等新型電聲產(chǎn)品接口技術(shù),。

駐極體電容式麥克風(fēng) 　　

駐極體電容式麥克風(fēng)(ECM)普遍用于電子與通信產(chǎn)品中。ECM在非嚴(yán)苛的環(huán)境條件下能提供良好的聲學(xué)性能與可靠性,。其主要特征：高效能的電氣規(guī)格;工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸;有全指向,、單指向及消噪型(雙指向);可整合電容作RF濾波;終端多樣-非焊接型，Pin型及焊盤型;用于廣泛多變的應(yīng)用,，包括有線/無線耳機(jī),、有繩/無繩電話、PDAs,、筆記本和移動(dòng)電話,。

這種麥克風(fēng)由振膜、背板和駐極體層構(gòu)成,?？梢苿?dòng)的振膜和固定的背板構(gòu)成了可變電容器的兩個(gè)極板,。駐極體層存儲(chǔ)著相當(dāng)于大約100V電容器電壓的固定電荷。聲壓引起振膜振動(dòng),，從而改變傳聲器的電容,。由于分布在電容器上的電荷數(shù)是恒定的，所以電容器兩端的電壓隨著電容的改變而變化,，根據(jù)下面的電容器電荷公式： 　　其中Q是電荷,，C是電容，V是電壓,。隨著聲壓的變化,，電容微量增加或減少(△C)，由此引起電壓成比例地減少或增加(△V),。

移動(dòng)應(yīng)用中的麥克風(fēng)體積非常小,，通常直徑為3mm~4mm、厚度為lmm~1.5mm,。因此它們的電容也相當(dāng)小,，典型值為3pF~5pF，在某些情況下,，甚至小到1pF,。

Knowles Acoustics公司的MB3015是此級(jí)別中最小的ECM麥克風(fēng),。適用于追求超小型化的設(shè)計(jì)應(yīng)用,。其內(nèi)部各結(jié)構(gòu)與外接示意圖，如圖1所示,。

　　圖1 駐極體電容式麥克風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外接示意圖 　　

如果電容式麥克風(fēng)所產(chǎn)生的信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力不夠,，那么在對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步處理之前需要一只緩沖器或放大器。按照傳統(tǒng)方法,，一直使用一只簡單的結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)輸入放大器實(shí)現(xiàn)這種傳聲器的前置放大,。隨著ECM微機(jī)械工藝的改進(jìn)，麥克風(fēng)體積越來越小,，電容也不斷減小,。由于標(biāo)準(zhǔn)的JFET放大器具有相當(dāng)大的輸入電容，對(duì)來自傳聲單元的信號(hào)造成顯著的衰耗,，因此JFET放大器不再適合傳聲器的要求,。

如今因CMOS制造工藝的改進(jìn)推動(dòng)了放大器電路的改進(jìn)。采用CMOS模擬和數(shù)字電路取代JFET放大器有很多好處,。與傳統(tǒng)的JFET放大器相比,，采用現(xiàn)代亞微米CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的前置放大器有多種優(yōu)點(diǎn)：降低諧波失真，更容易增益設(shè)置,，多功能模式,，包括低功耗休眠模式,，模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，能使麥克風(fēng)直接輸出數(shù)字信號(hào),，極大地提高了聲音的質(zhì)量,，提高了抗干擾能力。

MEMS SMD-硅晶(SiSonic)貼片式麥克風(fēng) 　

SiSonic SMD硅晶貼片式麥克風(fēng)應(yīng)用了MEMS技術(shù),。一直以來,，ECM的難題在于駐極體的能效在高溫中會(huì)降低，從而導(dǎo)致靈敏度的劣化,。而硅晶麥克風(fēng)中內(nèi)置的CMOS電荷泵和MEMS則可完美的解決此難題,，并使得產(chǎn)品能多次通過260℃無鉛自動(dòng)回焊爐。該種麥克風(fēng),，使用懸浮振膜構(gòu)造,，即便焊接在基板上也能確保達(dá)到優(yōu)于ECM的耐振動(dòng)特性、12,000G跌落撞擊,，甚至能通過相當(dāng)于半導(dǎo)體級(jí)別的信耐度測試,。

全部硅晶麥克風(fēng)，高度為1.25mm,，音孔位置在上面或是基板面(零高度),，還有強(qiáng)化對(duì)抗RF干擾的型號(hào)。這方面的新產(chǎn)品有,，零高度Mini型及數(shù)字麥克風(fēng),。

標(biāo)準(zhǔn)SiSonic-SMD硅晶麥克風(fēng)(如樓氏公司產(chǎn)的SP0204、SPM0204型)原理示意圖示于圖2,。

　　圖2 硅晶麥克風(fēng)原理示意圖

　　圖3為內(nèi)置放大器的SiSonic-SMD硅晶麥克風(fēng) 　　

圖3 內(nèi)置放大器SiSonic-SMD硅晶麥克風(fēng)原理示意圖 　　

數(shù)字麥克風(fēng)與數(shù)字輸出麥克風(fēng)的前置放大器 　　

雖然簡單的基于JFET放大器的功耗很低,，但是其線性度差而且精度低。因此,，改進(jìn)麥克風(fēng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)就是將前置放大器和數(shù)字技術(shù)結(jié)合起來,，在保持極低功耗的同時(shí)，通過提高線性度和降低噪聲來增加動(dòng)態(tài)范圍,。

數(shù)字麥克風(fēng) 　　

移動(dòng)電話處于固有的噪聲環(huán)境,。傳統(tǒng)的JFET放大器(以及任何純模擬)方案的問題是，模擬麥克風(fēng)的輸出信號(hào)很容易受到潛伏在放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)之間的噪聲信號(hào)的干擾,。因此,，將ADC集成到麥克風(fēng)中，使麥克風(fēng)自身能夠提供數(shù)字輸出,，以減小噪聲干擾,。其基本結(jié)構(gòu)見圖4所示。

　　圖4 數(shù)字麥克風(fēng)基本結(jié)構(gòu)見圖 　　

圖4是數(shù)字麥克風(fēng) (SPM0205HD4型)原理示意圖。其中ADC為△∑型.它是將以往的模擬麥克風(fēng)輸出送至∑△模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，在外部時(shí)鐘控制下,，以PDM方式進(jìn)行數(shù)字式輸出。數(shù)字式麥克風(fēng)的過采樣率可達(dá)3.25Mhz,，經(jīng)過用戶接收方的線路進(jìn)行抽取處理并過濾全部數(shù)據(jù),。尤其是低功耗∑△ADC不受嚴(yán)格的設(shè)計(jì)限制能達(dá)到高分辨率。而低功耗休眠模式,，當(dāng)不需要麥克風(fēng)時(shí)進(jìn)入節(jié)電模式,，可以延長電池工作壽命。

這種麥克風(fēng)的特點(diǎn)是不受EMI的影響,，直接把音頻信號(hào)傳入處理芯片;以∑△型A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行PDM輸出,，相當(dāng)于14bit的分辨能力;回路設(shè)計(jì)容易，能自由設(shè)置選擇麥克風(fēng)的位置;全數(shù)字化的回路設(shè)計(jì),，減少元件數(shù)量;立體聲麥克風(fēng)信號(hào)只需1根數(shù)據(jù)線來傳送;有睡眠模式,。

可在便攜電話、筆記本電腦,、數(shù)碼相機(jī),、數(shù)碼攝錄機(jī)、需要避免電磁干擾影響的麥克風(fēng)上應(yīng)用,。

圖5為數(shù)字麥克風(fēng)連接及其應(yīng)用示意圖,。數(shù)字麥克風(fēng)的輸出與數(shù)據(jù)(data)及時(shí)鐘(clack)信號(hào)將被送至芯片PCM數(shù)據(jù)流處理.即經(jīng)過用戶接收方的線路進(jìn)行抽取處理并過濾全部數(shù)據(jù)。

　　圖5 數(shù)字麥克風(fēng)連接及其應(yīng)用示意圖 　　

數(shù)字輸出麥克風(fēng)的前置放大器 　　

集成的數(shù)字輸出前置放大器及其接口的框圖如圖6所示,。

　　圖6 集成的數(shù)字輸出前置放大器及其接口的框圖 　　

傳聲單元的信號(hào)首先經(jīng)放大器放大,，然后經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。內(nèi)部穩(wěn)壓電源向放大器和ADC供電,，既確保了良好的電源電壓抑制能力,，又為模擬部分提供了獨(dú)立的電源,。

按照儀表放大器結(jié)構(gòu)中利用匹配電容器設(shè)置增益的方法,，使用兩只運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTA)這種帶有MOS輸入晶體管的結(jié)構(gòu)，對(duì)于容性信號(hào)源具有接近零輸入導(dǎo)納的非常理想特性,。由于使用電容進(jìn)行增益設(shè)置,，所以確保了高增益精度(只受光刻工藝限制)和多層—多層電容器固有的高線性度。通過金屬掩模編程很容易設(shè)置該放大器的增益,，其增益可達(dá)到20dB,。

該ADC是一個(gè)四階、單回路,、單bit∑△調(diào)制器,，其數(shù)字輸出是單bit過采樣信號(hào)。使用△∑調(diào)制器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：噪聲整形將量化噪聲的頻譜移到高頻段，移到有用頻帶之外很遠(yuǎn)之處,。因此,，該電路系統(tǒng)無需嚴(yán)格的匹配要求就能達(dá)到高精度;ADC采用單bit t∑△調(diào)制器，因此使其具備固有高線性度;在單bit,、單回路調(diào)制器中,，只有一個(gè)積分器有要求嚴(yán)格的設(shè)計(jì)限制。內(nèi)回路積分器的輸出都經(jīng)過噪聲整形處理,，因此放寬對(duì)它們的設(shè)計(jì)要求,。

超聲波聲學(xué)貼片傳感器 　　

用于探測/接收空氣中超聲波的組件-超聲波聲學(xué)傳感器(UAS) 近期己聞世。該新型貼片傳感器,，采用成熟的MEMS技術(shù),，傳感器頻率探測范圍大,頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的超聲波傳感器?？蛇m應(yīng)多種環(huán)境要求,，是一種高性能機(jī)械聲學(xué)傳感器。它適用于超聲波技術(shù)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域：超聲波探距,、狀態(tài)監(jiān)控,、故障探測、液位感測和位置感測等,。這種傳感器可用于監(jiān)控和探測10-65kHz的頻率范圍,，在整個(gè)頻段內(nèi)的衰減值最少。

新型超聲波傳感器可以在單一感測組件中探測出多個(gè)頻率,，因此,，它最終可以減少或避免憑主觀臆測去選擇產(chǎn)品的行為，從而可以為顧客選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鱽韺?duì)頻率進(jìn)行探測或監(jiān)控,。

這種傳感器的小型化表面貼裝封裝設(shè)計(jì)不僅適用于工業(yè)品,，而且也適用于大多數(shù)的制成品。尤其是MEMS貼片式麥克風(fēng),、超微型駐集體麥克風(fēng),、均衡電樞揚(yáng)聲器和語音加強(qiáng)軟件等。例如樓氏公司的SPM0204UD5就是典型一例,。圖7示出其應(yīng)用示意圖,。

　　圖7 超聲波聲學(xué)貼片傳感器引腳與應(yīng)用圖