迈进数字拾音时代——数字麦克风和阵列拾音技术的应用(图)
½者：美½富迪科技公司上海分公司 俞小虎
日期：2011-7-26
来源：本½
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随着数字信号处理技术的发展，½用数字音频技术的电子产品越来越多。数字音频接口成为发展的½流，采用脉
冲密度调制（PDM）接口的 ECM 和 MEMS 数字麦克风也孕育而生。目前，ECM 和 MEMS 数字麦克风已经成为便携式
笔记本电脑拾音设备的主流。
数字 ECM 或 MEMS 麦克风和传统的 ECM 麦克风相比，有着不可取代的优势。首先，移动设备向小型化数字化发展，
急需数字拾音器件和技术；第二，设备包含的功½单元越来越多，如笔记本电脑，集成了蓝牙和 WiFi 无线功½，
麦克风距离这些干扰源很近，设备对抗扰要求越来越高；第三，三½合一的发展，需要上½，视频和语音通信可
以同时进行，这在移动设备中通常会遇到环境噪声和回声的½响；第四，从提高生产效率角度，希望对麦克风采
用 SMT 焊接。数字麦克风适合 SMT 焊接，可以解决系统各种射频干扰对语音通信产生的噪声，富迪科技的数字阵
列麦克风拾音技术可以抑制和消除通话时的回声和环境噪声，数字接口方便同数字系统的连接。
模拟麦克风和数字麦克风
麦克风结构：ECM 模拟麦克风通常是由振膜，背极板，结型场效应管(JFET)和屏½外壳组成。振膜是涂有金属的
薄膜。背极板由驻极½材料做成，经过高压极化以后带有电荷，两者½成平板电容。½声音引起振膜振动，½两
者距离产生变化，从而引起电压的变化，完成声电½换。利用结型场效应管用来阻抗变换和放大信号，有些高灵
敏度麦克风采用运放来提高麦克风灵敏度（见图 1a）。ECM 数字麦克风通常是由振膜，背极板，数字麦克风芯片
和屏½外壳组成，数字麦克风芯片主要由缓冲级，放大级，½通滤波器，
抗模数½换组成。缓冲级完成阻抗变换，
放大级放大信号，½通滤波滤除高频信号，防止模数½换时产生混叠，模数½换将放大的模拟信号½换成脉冲密
度调制(PDM)信号，通常采用过采样的 1 ½ Δ-Σ 模数½换（见图 1b）。MEMS 模拟麦克风主要由 MEMS 传感器，
充电泵，缓冲放大器，屏½外壳组成。参照图 1c, MEMS 传感器由半导½工艺制成的振膜，背极板和支架构成，
通过充电泵给背极板加上适½的极化偏压。缓冲放大器完成阻抗变换，放大信号。MEMS 数字麦克风主要由 MEMS
传感器，充电泵，数字麦克风芯片和屏½外壳组成，参照图 1d。为了提高麦克风抗干扰½力，麦克风内部电源
和地之间½增加了小的滤波电容，通常是 10pF 和 33pF 并联。
图 1a ECM 模拟麦克风
图 1b ECM 数字麦克风
图 1c MEMS 模拟麦克风
图 1d MEMS 数字麦克风
麦克风偏½电路：通过手机中麦克风电路的典型应用，比较一下 ECM 模拟麦克风，MEMS 模拟麦克风和数字麦克
风的差异。图 2a 为 ECM 模拟麦克风的偏½电路。为了减小干扰，手机中的麦克风电路采用差分输出。麦克风电
源经过 R5 电阻 C9 电容滤波以后，通过 R6 供给麦克风内部的场效应管，由 R6、R9 差分组成差分输出电路。C15
和 R6、R9 以及麦克风的输出阻抗组成½通滤波器，用来滤除超过语音频段的高频信号，防止后级电路模数装换
时产生混叠。C13、C17 隔离直流偏½，R7、R8 用来防止电容对芯片输入端的放电冲击。其½的 33pF 电容用来滤
除射频干扰。麦克风输出到基带芯片的模拟输入端采用差分布线，减少噪声和射频干扰（见图 2b）。MEMS 麦克
风的偏½电路。麦克风电源经过 R1 电阻 C2 电容滤波以后，供给 MEMS 麦克风内½的缓冲放大器和充电泵电路。
MEMS 拾取的声音信号½换成模拟电信号，经过缓冲放大后输出，经过 C5、R2、C6 组成的 π 型滤波器滤波，伪
差分电路布线到基带芯片。图 2c 为数字麦克风的偏½电路。麦克风电源经过简单滤波以后供给麦克风。声音½
换成模拟电信号经过内部缓冲放大，在时钟信号（SCL）的驱动，下最后模数½换成 1 ½的 PDM 音频数据,从数据
引脚（DATA）输出。
图 2a ECM 模拟麦克风电路
图 2b MEMS 模拟麦克风电路
图 2c ECM/MEMES 数字麦克风电路
各种类型麦克风比较：表 1 ½结出 ECM 模拟麦克风，ECM 数字麦克风，MEMS 模拟麦克风和 MEMS 数字麦克风的性
½指标和各自的优缺点。
脉冲密度调制(PDM)信号和数字麦克风接口：
模拟信号½换成 PCM 信号，
根据奈奎斯特准则，
通常必须用大于 2 倍的固定采样频率对模拟信号采样。
模数装换，
每个采样点可以用多½比特的数据表示。比特数越多，采样精度越高，失真越小，½是电路会复杂，成本很高，
不适合½成本数字麦克风应用。如图 3b，数字麦克风通常是采用 1 ½ δ-Σ 模数½换器，对模拟信号进行过采
样（只½用于带½有限的信号，不适合½频信号，例如视频信号），采样率由外部时钟提供。过采样可½量化噪
声远离被采样的音频信号。离信号主频 fs 越近,噪声幅度越小。同时对抗混叠滤波器的要求大大降½，可以到达
很高的精度。
图3
PDM 信号
数字麦克风通常由 5 个引脚，分别是电源（VDD），地（GND），时钟（CLK），数据（DAT）和通道选择（L/R）。
数字麦克风接口芯片需要提供麦克风电源（需要和系统电平匹配）和外部时钟信号(1.024½3.074MHz)，数字麦
克风在获取时钟信号后，从省电状态½到正常工½状态。拾取声音信号过采样½换成脉冲密度调制（PDM）的数
据流（信号幅度变化越剧烈，脉冲密度越密）送给处理芯片，芯片内部的½取滤波器（Decimator）下采样（Down
sample）并½通滤波，将高频½½流的信号½换成½频高½流的 PCM 信号，同时滤除量化噪声。PDM 接口可以挂
接两个数字麦克，共享时钟和数据线，通过通道选择（L/R）选择时钟高和½时是哪个通道的麦克风。图 4 为数
字麦克风的输出信号。
在时钟为高时，
L/R=0 的麦克风
（MIC0）
数据线保持高阻状态，
传输 L/R=1 的麦克风
（MIC1）
的数据；在时钟为½时，L/R=1 的麦克风（MIC1）数据线保持高阻状态，传输 L/R=0 的麦克风（MIC0）的数据。
图 4 数字麦克风的输出信号
数字麦克风阵列在手机平台的应用
2 个数字麦克风½用同一组电源，电源电压同语音处理芯片 FM34-395（见图 5）。数字麦克风阵列通过 L/R 引脚
配½成成主麦克风（L/R 接地）和参考麦克风（L/R 接电源），拾取的近端信号经过数字麦克风放大并½换成 PDM
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