什么是MEMS MIC麦克风？ （二）

MEMS 麦克风的整体性能与应用兼容性受到多种关键技术特性的影响。 这些特性涵盖了声学表现、抗干扰能力、输出类型以及实体整合等面向。

以下是影响MEMS麦克风选择与表现的重要技术特性：

声学性能指标 （Acoustic Performance Metrics）

这些特性直接决定了麦克风在不同声场环境下的音频撷取质量：

1. 信噪比 (Signal-to-Noise Ratio, S/N)：S/N 是衡量麥克風性能的關鍵指標。

◦ 商品化的模拟和数字 MEMS 麦克风已可达到 60 dB S/N 或更高。

◦ 对于主动降噪（ANC）耳机等应用，通常需要 65 dB S/N 或更高。

◦ 某些模拟MEMS麦克风可以做得更好，例如在2017年时，有些供应商已达到70 dB。

2. 声学过载点 （Acoustic Overload Point， AOP）：这是指麦克风讯号开始出现严重失真的声压级。

◦ 模拟 MEMS 麦克风通常具有更好的 AOP，并且过载时的表现更为「优雅」。 模拟AOP往往会超过

120 dB，在某些MEMS麦克风上甚至可能达到130 dB或更高。

◦ 数字MEMS麦克风的 AOP 可能低至 116 dB，更常见的是 120 dB。

3. 指向性 (Directivity)：目前MEMS 麥克風本身大都是全向性的（Omnidirectional）。

◦ 若要实现方向特性，需要将多个 MEMS 麦克风组成阵列，或利用特定的声学设计来达成。

    ◦ ZILLTEK 目前有指向性MEMS MIC

选择模拟或数字输出，以及是否采用差分拓扑，极大地影响了应用兼容性与抗噪声能力：

1. 输出类型（模拟与数字）：

◦ 类比 MEMS 麦克风：提供单端（single-ended）或平衡差动（balanced differential输出。

◦ 数字 MEMS 麦克风：的 ASIC 包含模数转换器（ADC），通常提供脉冲编码调制（PCM）输出，但也有些提供 I2S 数字输出。

2. 抗干扰性（Immunity）：

◦ 数字MEMS 麦克风比模拟MEMS 具有更高的抗干扰能力。 为了加快产品上市时间，避免因噪声问题而调整电路板布局，数字化是最佳选择。

◦ 如果产品对麦克风性能要求极高，则类比通常是更好的选择。

◦ 在会出现电磁干扰（EMI）/射频（RF）浮动的产品中，使用平衡输出模拟 MEMS 麦克风是一种很好的防御工程措施。

电源与噪声抑制 （Power and Noise Rejection）：

 电源噪声对麦克风的性能稳定性至关重要.

1. 电源抑制比（电源抑制比，PSRR）：

◦ PSRR 是衡量特定组件（如MEMS 麦克风）抑制电源噪声量的指标。

◦ 电源可能受到开关式电源供应器、继电器、电机等倾倒的 AC 杂物和瞬时干扰（PSR）。

◦ PSRR 提供了电路抑制输入端注入的各种频率纹波的程度的测量。 目前更受关注的干扰源通常包括移动（GSM）和分时多工（TDM）智能手机的脉冲。

2. 偏置與功耗：

◦ MEMS 麦克风需要一点偏置电压。

◦ MEMS 麦克风所需的功率比驻极体电容麦克风（ECM）要少一些。

物理集成与结构（Physical Integration and Structure）： 这些特性决定了 MEMS 麦克风的应用兼容性和设计要求：

1. 封装与尺寸：

◦ MEMS 麦克风是使用表面贴装技术（SMT）安装的微型模块。

◦ 默认的包络尺寸约为 3.50 mm × 2.65 mm × 0.98 mm。 不过，许多供应商提供更紧凑的封装。

2. 声孔位置 （Port Location）：

    ◦ SMT 封裝的 MEMS 麥克風可以是底部端口（Bottom port）或頂部端口（Top port）。

◦ 如果采用底部端口，则流焊的电路板必须很薄（可能是柔性 PCB），并需有一个与 MEMS 麦克风端口对齐的孔。

◦ 尽管传统上底部端口用于弥补信噪比的缺陷，但如今 MEMS 麦克风无论使用哪种方法，都可以提供高性能。

3. 元件拓撲：

◦ MEMS 麦克风通常由电容式麦克风元件连接到 ASIC 组成。

◦ 新一代 MEMS 麦克风则使用压电麦克风元件与 ASIC 配合使用。

◦ 有些 MEMS 麦克风具有单个基板，将麦克风和前置放大器都放置在一块硅上。

Zilltek 有上进音（Top），下进音（Bottom），更又独一无二的侧进音（side）数字式 MEMS MIC.

问答

1️⃣ 问：为什么信噪比（S/N）对 MEMS 麦克风的性能至关重要？

答：信噪比代表麦克风撷取有用声音讯号时，能排除背景噪声的能力。 S/N 越高，音频质量越清晰。 一般商品化MEMS麦克风可达60 dB以上，而主动降噪耳机则需65 dB以上，部分高阶模拟麦克风甚至达到70 dB。

2️⃣ 问：什么是声学过载点（AOP），模拟与数字 MEMS 麦克风有何差异？

答：AOP 是指麦克风开始失真时的最大声压级。 模拟MEMS麦克风通常有更高的AOP（超过120 dB，甚至达130 dB），且失真较「优雅」; 数字 MEMS 麦克风则常见于 116–120 dB。

3️⃣ 问：MEMS 麦克风的指向性如何实现？

答：单颗 MEMS 麦克风多为全向性。 若要实现指向性，可透过阵列配置或特殊声学设计。 部分厂商如ZILLTEK已推出具指向性的MEMS麦克风。

4️⃣ 问：數位與類比 MEMS 麦克风在抗干扰性上有何差异？

答：数字 MEMS 麦克风因内建 ADC，抗干扰能力较强，适合快速上市的产品。 模拟麦克风则在高性能需求下更具优势，尤其使用平衡差动输出时能有效抵抗EMI/RF干扰。

5️⃣ 问：MEMS 麦克风的封装与声孔位置如何影响设计？

答：MEMS 麦克风采 SMT 安装，常见尺寸为 3.50 × 2.65 × 0.98 mm。 声孔可设于顶部或底部，底部端口需电路板开孔配合，但现今无论哪种配置都能达到高性能。

本篇作者-詮鼎集團-史克朗