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本文主要讨论硅麦克风(MEMS Microphone)应用板级时应注意连接方法和问题。本文对整机制造商的应用工程师和系统工程师有很大的帮助，对硅麦克风制造商的测试工程师也可以很好地了解硅麦克风在实际测试中需要的一些板级问题。希望能为工程师提供一些帮助。微信官方账号将推出一系列硅麦克风、音频等相关技术知识。请点击上面的蓝色字体，关注豪骏科技获取更多信息。
硅麦克风类型
硅麦克风产品分为模拟硅麦克风产品(Analog MEMS Microphone)数字硅麦克风(Digital MEMS Microphone)两种基本类型。每一种硅麦克风都包含在内MEMS电容式声传感器、偏置电压生成器和信号放大器，实现声音到电信号的转换。不同之处在于，模拟硅麦克风直接输出模拟音频信号，而数字硅麦克风内置A/D(数字到模拟的)转换器(ADC)，输出数字音频信号。
模拟硅麦克风可用于需要直接处理或传输模拟音频信号的系统，也可用于需要数字音频信号的系统A/D转换器DC在系统中，它可以取代传统的驻极体麦克风。数字硅麦克风向系统直接输出数字音频信号，但系统需要相应的接口支持。数字硅麦克风根据具体的数字接口类型分为PDM输出型、I2S输出型麦克风等。
图 1 MEMS麦克风内部照片
模拟麦克风连接模式
模拟硅麦克风输出交流电压信号表示声压的变化，电路连接模式与传统驻极体麦克风(ECM)不同之处在于，它不需要偏置电阻，而是通过独立的引脚电源。为了选择不同的滤波器，需要说明音频信号的范围。在电源引脚附近，电源去耦需要放置一个小电容，如图所示 (2)参见本文参见本文PCB布线注意事项内容)。
图 2 MEMS模拟麦克风的连接
麦克风模拟输出端具有一定的直流电压，以免影响后电路的直流静态工作点，或充分利用后电路ADC建议使用以下模拟电路的动态范围AC如图2所示。耦合电容和后电路的输入阻抗构成一阶高通特性，低频截止频率 f(-3dB)=1/(2*pi*Rin*Ccouple)，其中Rin为ADC输入阻抗。耦合电容合电容范围为0.1uF~1uF，具体需要根据后电路输入阻抗和需要通过的低频频率来确定。图3列出了不同的低频增益曲线，对应于几个耦合电容和输入阻抗，可以满足应用需求。尽量避免使用，除非成本或体积有限。II类和III由于其容值误差大，且随偏压变化明显，类介质电容器作为耦合电容器，会导致信号失真。有机薄膜电容器应优先考虑高音质应用。
图 3 耦合电容和输入阻抗对低频率特性的影响
PDM输出型数字麦克风连接方式
数字麦克风将音频信号转换为数字编码传输，具有抗干扰能力强的优点。数字麦克风的输出信号大多是PDM(Pulse Density Modulation，脉冲密度调制)编码，这种编码方式通过噪声整形技术用1-bit高采样率(约1MHz～3.5MHz)代码流传输音频信号，线路连接简单。由于PDM编码不适合直接用于音频应用，需要硬件采样，通常由系统进行Codec、DSP或者CPU中集成的PDM麦克风接口硬件完成(软件也可以在要求低成本的情况下实现)。
数字麦克风需要外部提供一个时钟信号(经CLK脚)用于内部数字逻辑，这个时钟信号也决定了麦克风ADC并从DATA脚输出的PDM数据与输入时钟同步。典型的CLK频率值有2.4MHz、3.072MHz. 此外，L/R脚的电平决定DATA脚输出数据是在CLK上升沿翻转或下降沿翻转。还需要在电源引脚附近放置一个小电容进行电源去耦(见本文PCB布线注意事项的内容)。
图 4 PDM输出型数字麦克风连接
图 5 PDM输出数字麦克风输入输出
I2S输出型数字麦克风连接方式
I2S (Inter-IC Sound) 几乎所有的音频都是设备级数字音频信号传输的主要接口ADC、DAC器件支持。I2S传输的是PCM编码是最容易处理的音频编码格式。PCM数据具有固定的采样率和量化位数(即字长)。在I2S接口中的数据串行传输，然后使用快速时钟BCLK (Bit Clock) 作为数据位的同步信号，使用相当于采样率的较慢时钟LRCK (Left-Right Clock, 或WS, Word Select) 作为数据帧同步标志。在一个数据帧中包含两个PCM数据对应左右两个声道。
两台设备通过I2S接口数据交互时，其中一个主要是设备 (Master) 设备，另一个为从 (Slave) 设备。生产主要设备BCLK信号和LRCK信号是由它决定的PCM采样频率和最大字长。数据方向可以是从主设备到设备，也可以是从设备到主设备，多条数据线可以同时双向传输。
I2S输出数字麦克风是一种I2S只从设备发送PCM此外，它还有另一个数据。L/R脚是用来选择数据的I2S数据帧左声道发送或右声道发送。L/R当脚是低电平或高电平时，DATA脚的状态如图所示 7、图 8所示。
图 6 I2S输出型数字麦克风连接
图 7 I2S输出数字麦克风输入输出(L/R＝0)
图 8 I2S输出数字麦克风输入输出(L/R＝1)
两个数字麦克风共用同一套数字线
PDM和I2S数字麦克风DATA脚是分时驱动的，有输出和高阻力两种状态。这两种数字麦克风都有一种L/R脚用于选择DATA脚的输出模式使脚个接一个DATA信号线可以分时复用，传输两只同类型数字麦克风信号。具体连接方式如下：
PDM数字麦克风： 当L/R脚接高电平时，DATA脚在CLK每次上升后输出数据CLK下降沿后变为高阻态；当L/R平时脚接低电，DATA脚在CLK在每次下降后输出数据CLK上升后变成高阻态。因此，两只PDM麦克风只要L/R如果脚的状态不同，可以共用一个DATA如图所示，线输出数据 9、图 10。.
图 9 两只PDM连接数字麦克风共用信号线
图 10 两只PDM数字麦克风共用信号线的时序
I2S数字麦克风：当L/R脚接高电平时，DATA脚仅在I2S数据帧右声道数据域输出数据，发送有效字长数据DATA脚变成高阻；当L/R平时脚接低电，DATA脚仅在I2S数据帧左声道数据域输出数据，发送有效字长数据DATA脚变成高阻。因此，两只I2S麦克风只要L/R如果脚的状态不同，可以共用一个DATA如图所示，线输出数据 11、图 12.
图 11 两只I2S连接数字麦克风共用信号线
图 12 两只I2S数字麦克风共用信号线的时序
PCB布线注意事项
MEMS麦克风在使用中就像常规一样IC芯片，需要在PCB去耦电容器配置在板上，以减少麦克风电源的阻抗。首先，实际系统中的电源并不理想。例如，常用于麦克风的线性稳压器，其内部误差放大器增益随频率增加而下降，表现为输出阻抗随频率增加而增加。从各种稳压器的数据表Transient response从图中可以看出，当负载电流突变时，稳压器的输出电压出现尖峰。因MEMS麦克风的工作电流发生动态变化。电源阻抗（包括稳压器输出阻抗和麦克风电源引脚线阻抗）会导致麦克风VDD和GND脚之间电压的波动。将小容量去耦电容放置在麦克风电源引脚旁边，以减少高频阻抗，如图所示 13列出了一些电容器的阻抗特性. 考虑到综合体积和成本，最常见的是使用0.01uF~0.1uF容量的X7R或X5R陶瓷电容器的贴片封装类型介质。
图 13 典型的去耦电容器阻抗-频率特性
模拟麦克风接线应遵循数字模拟分离、小信号和大信号分离的原则，避免系统其他线路上的噪声耦合到模拟麦克风信号线[1]。如果条件允许，可以在信号线两侧平行走两条地线或铺铜接地，起到一定的屏蔽作用，如图所示 14的例子。当模拟麦克风信号线很长时，或者需要跨越PCB板连接时，最好使用屏蔽线传输模拟麦克风的信号。
图 14 模拟信号线两侧用接地铜皮屏蔽
如果模拟麦克风后面是差分输入型ADC，可以借助ADC共模抑制能力可以减少信号传输中引入的干扰。如下图所示，需要将ADC两个模拟输入端通过差分信号线连接到麦克风，但有用的音频信号只出现在其中一个信号线上，两个信号线的干扰基本相同。于是对于ADC有用的音频信号是差模信号，干扰信号是可以抵消的共模信号。
图 15 差分输入型ADC连接模拟麦克风
与模拟麦克风相比，数字麦克风具有抗干扰能力，但需要将其纳入数字系统来考虑PCB布线。数字麦克风CLK和DATA线有上MHz的数字信号，走线时需要考虑到地上的电流回流路径，避免出现明显的信号环路，否则将产生EMI干扰。如图 16中这个反面的例子，由于底层地平面被走线分割，顶层信号走线下方没构成连续的回流路径，造成局部信号环路向空间辐射信号。
图 16 两层PCB, 忽视了高速数字信号回流路径的布线例子
因为数字麦克风传输的并非高速数字信号，通常的设计中无须考虑传输线效应，除非走线很长。按照经验公式，当数字信号走线长度的数值(以英寸为单位)大于信号上升或下降沿时间(以纳秒为单位)时，有必要进行阻抗匹配[2]。需要阻抗匹配时，可在数字信号线上靠近信号源的一端(CLK是Codec/DSP等，DATA是数字麦克风)插入匹配电阻，如下图所示。匹配电阻的理想值等于传输线的特征阻抗(PCB走线需要进行阻抗控制)减去数字信号源的输出阻抗。
图 17 数字麦克风信号线上插入源端电阻进行阻抗匹配
如果不能估算PCB传输线的阻抗、信号源输出阻抗，也可直接挑选22欧~100欧之间的电阻，用实验的办法确认一个合适的取值：接入示波器监测数字信号线的接收端电压波形，合适的电阻可以减少甚至消除上升沿和下降沿上的过冲，例如图 18中未匹配与良好匹配的波形差异。
图 18 数字信号线阻抗匹配前后的测量波形对比
除了进行传输线阻抗匹配，数字麦克风信号线上串入的电阻还具有削弱PCB走线、过孔的寄生电感、线和地之间的寄生电容引起的振荡的作用，以及限制因ESD引起的冲击电流的作用。
数字麦克风接口电平转换
在使用数字麦克风时，必须让数字信号的发送端和接收端逻辑电平兼容。最简单的办法是让麦克风的电源电压VMIC和所连接的系统中Codec或DSP、CPU的接口电压(VDDIO)基本相等，例如使用同一路直流电源。在这样的情况下，逻辑收发电平满足VOH>VIH，VOL
图 19 接口两边逻辑电平标准不兼容时，无法正确传输
除了逻辑信号不能正确传输外，还有引脚过压的问题，分两种情况，一种是系统的I/O电压高于麦克风电源电压，导致CLK信号(对于I2S麦克风还有WS信号)高电平将超过麦克风电源电压；另一种情况是系统的I/O电压低于麦克风电源电压，导致麦克风输出DATA信号高电平超过系统接口的电源电压。这两种情况都会可能引起数字引脚经过芯片的保护二极管向电源引脚注入电流，即使不产生损坏，也容易引起麦克风工作不正常，并增加功耗。
当系统I/O电压不同于麦克风电源电压时，可以使用具有双电源的逻辑电平转换器件来实现收发端电平匹配。下图以74LVC1T45为例，注意需要设置转换器的收发方向。
图 20 使用逻辑电平转换器实现麦克风和Codec电平匹配
其他
以上基本涵盖了硅麦克风在应用时碰到的绝大多数的问题。希望各位工程师在板级可以解决麦克风的问题。各位读者也可以留言进行进一步交流。
参考文献
[1] Walt Kester, “A Grounding Philosophy for Maxed-Signal Systems.” Electronic Design Analog applications Issue, June 23, 1997: pp. 29.
[2] Howard Johnson and Martin Graham, High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic. Prentice Hall, 1993.
[3] Prasad Dhond, “Selecting the Right Level-Translation Solution”, Application Report, Texas Instruments, June 2004.
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