MEMS麦克风的电路设计与实现（二）

承接上文：MEMS麦克风的电路设计与实现（一）

设备麦克风信号通路要求-带宽

麦克风输出信号通路中的直流滤波电容器必须有一定的尺寸，这样它们就不会限制信号带宽。≥1μf组件通常是很好的。此外，信号链中的所有其他组件必须支持麦克风输出带宽。如果预期带宽超过20kHz(超声波)，这一点尤其值得注意。

数字麦克风的电路实现

在上文提到的，针对模拟麦克风保护和过滤信号连接的原则同样适用于数字麦克风。然而，由于对数字信号干扰的鲁棒性，通常较少需要保护，或者使得数字信号更清晰。在许多情况下，数字麦克风可以减少设计、原型制作、重新设计和过滤组件的工作量，同时仍然可以达到与模拟麦克风类似或更好的信号质量。在智能手机、平板电脑、智能音箱和物联网设备等无线连接设备所处的具有挑战性的电磁环境中，数字接口尤其有益。数字信号还可以使用更长的跟踪长度而不会出现问题，因此它们非常适合于大型设备，例如可以进行长信号连接的笔记本电脑。

数字接口的一个缺点是与模拟接口相比，麦克风和接口的电流消耗更高。然而，整个系统的电流消耗并不一定更高，因为模拟到数字的转换必须在信号链的某个点上完成，模拟麦克风也是如此。

尽管在许多情况下实现数字麦克风比模拟麦克风更容易，系统设计者仍然需要知道自己在做什么。模拟信号(Vsupply, ground)必须保持稳定和干净，数字信号连接必须正确实现，以确保无缝运行。

MEMS麦克风中最常见的数字接口是PDM(脉冲密度调制)。它是一个1位接口。PDM接口比其他数字产品更简单、更便宜。一个关键的简单性因素是PDM接口不需要在麦克风中有额外的降频数位滤波。这样就节省了麦克风的芯片面积、成本和电流消耗。在PDM麦克风中，模拟到数字转换产生的延迟非常小。

一个PDM接口由两个接口信号组成:时钟和数据。L/R(左/右)选择插脚通过将插脚连接到地面或Vsupply，可以在同一数据线上使用两个麦克风。在电源电压和接地条件下，总麦克风芯片的引脚数为5。

在模拟麦克风的电路实现中，信号连接电路和跟踪设计是模拟麦克风的关键。它们对数字麦克风同样重要，但原因不同。电路板上的所有痕迹都有阻抗。由时钟中尖锐的数字信号边缘和数字麦克风的数据信号引起的非常高的频率(高达数百兆赫)会受到这些阻抗的显著影响。此外，发送和接收彼此信号的组件的输出和输入在维持信号质量方面起着重要作用。设计和执行不会降低数字信号质量的信号连接的原则相对简明，主要原则如下：

发送信号(源)的组件的输出必须与它所驱动的信号线相匹配。不匹配可能会导致过冲、下冲、反射和振铃等问题。这可能会导致不可预测的信号电平和位错误，以及可能影响相邻系统的干扰。误码降低了麦克风系统的性能。振铃、过冲和下冲会导致最小和最大信号水平显著低于或高于预期。产生的电平可能会违反为麦克风(或系统的其他部分)指定的绝对最大额定值。

为了避免问题，时钟的阻抗和数据跟踪应该被控制。线的阻抗取决于它的尺寸和在电路板上使用的材料。电路设计工具可用于设计受控阻抗道，例如在50至100欧姆之间。

（这里额外说一下原因，很多成熟设计都是这么做，算是一个经验设计方法。实际上， 其实这个小电阻的作用就是为了解决信号反射问题。而且随着电阻的加大，振铃会消失，但你会发现信号上升沿不再那么陡峭了，串联电阻是为了减小反射波，避免反射波叠加引起过冲。这个解决方法叫阻抗匹配，一定要注意阻抗匹配，阻抗在信号完整性问题中占据着极其重要的地位）

源终端电阻

• 源终端电阻用于匹配源和跟踪的阻抗；
• -电阻与示踪线串联，靠近电源；

终端电阻的分量值取决于其所处的跟踪特性;典型值从50欧姆到100欧姆；

• 时钟线源终端电阻(RTC)(1)保持信号边缘干净，避免过冲和振铃，帮助避免接口计时问题，发射干扰和增加电流消耗；
• 在数据线(RTD)(2)上也增加了终端电阻，以避免计时问题和位错误。

滤波电容

• Vsupply干扰滤波电容器(CPS) (3);典型值是0.1μf但10μf是可能的
• 用于Vsupply的RF干扰滤波电容器(CRF) (4

可能需要几个，每个过滤出特定的干扰频率

电容器通常是小值，10 - 500pF

• 最小值滤波电容应放置在离麦克风最近的位置
• 所有电容连接到电源层的线路尽量短 (5);建议避免所有走线都聚在一起并直接通过pads选择vias，这是不建议的；
• 电容走线(5)中的电感应尽量减小，以最大限度地提高滤波性能
• 一些电容(例如基于第2类介质的电容)可以产生噪音

不应在离麦克风太近的地方使用

图7数字麦克风和音频编解码器接口示例

其他设计注意事项：

• 可以在每个麦克风的电源线上添加一个串联电阻或铁氧体(R/F)(6)，以抑制或滤除高频电磁干扰(EMI)噪声；
• 从麦克风上的L/R引脚到Vdd和接地(7)的线路应较短；
• 麦克风接地(8)应该与直接位于麦克风接地的线路板通过vias;应避免留下额外走线；
• 麦克风数据和时钟线应与高速传输线分开；

在上面所示的配置中，两个麦克风同时通电或切换到其他电源模式(例如正常模式<->低功率模式，由时钟频率控制)。开关或者与门电路可以与编解码器的GPIO输出(通用IO)一起使用，分别控制每个麦克风的功率和时钟。