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--- microphone [2023/07/21 17:45]
liurunze [1. 什么是麦克风？]
+++ microphone [2023/07/28 16:10] (当前版本)
liurunze [5. 参考案例]
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 微机电麦克风指使用微机电（MEMS，MicroElectrical-Mechanical System）技术做成的麦克风，也称麦克风芯片（microphone chip）或硅麦克风（silicon microphone）。MEMS麦克风在同一半导体晶圆上包含电子元件和机械元件。它有一个传感器和一个专用集成电路(ASIC)集成到一个由机械罩保护的单一组件。在外壳或基础PCB上的一个小孔允许声音进入麦克风。它是顶部端口或底部端口，取决于孔是否在顶盖或PCB上。微机电麦克风的压力感应膜是以微机电技术直接蚀刻在硅芯片上，此集成电路芯片通常也集成入一些相关电路，如前置放大器。大多数微机电麦克风的设计，在基本原理上是属于电容式麦克风的一种变型，因此工作原理也为电容值的变化。
-微机电麦克风又可以分为数字和模拟两种类型，首先说一下数字麦克风。
+微机电麦克风又可以分为数字和模拟两种类型，下图为两种类型的内部比较。
+{{drawio>micro_mems.png}}
+首先说一下数字麦克风，内部框图如下图所示。
 {{ ::digital_mems_microphone.png?700 |}}
-微机电麦克风常内置模拟数码转换器，ADC的数字输出可以有两种可能的格式:脉冲密度调制(PDM)或I2S。PDM麦克风只需要一个时钟和数据线。I2S麦克风具有抽取滤波器和串行端口的附加阶段。数字麦克风与PDM是最常见的接口，上图为PDM和I2S数字麦克风的简化框图。原始数字音频信号直接输出到主控芯片，设计信号链的复杂性将大大降低，从而使产品在尺寸、成本、功耗和抗干扰方面保持优势。
+如上图所示，微机电麦克风常内置模拟数码转换器，ADC的数字输出可以有两种可能的格式:脉冲密度调制(PDM)或I2S。PDM麦克风只需要一个时钟和数据线，而I2S麦克风包含PDM麦克风中的所有数字电路，还包含抽取滤波器和串口。数字麦克风与PDM是最常见的接口。原始数字音频信号直接输出到主控芯片，设计信号链的复杂性将大大降低，从而使产品在尺寸、成本、功耗和抗干扰方面保持优势。
 再来说一下模拟麦克风，如下图所示，该电路本质上是一个放大器，具有用于模拟麦克风的特定输出阻抗。
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 动圈式，碳式和电容式麦克风不是板级麦克风传感器，而MEMS,驻极体和压电麦克风由于其微型结构而用于pcb，因此后者更适用于消费电子产品的板级麦克风传感器，因此，下面来着重探讨用于消费电子产品的板级麦克风传感器。
+下图为MEMS和驻极体麦克风对比。
+{{ :麦克风对比.png?800 |}}
 MEMS和其他板级麦克风传感器在各种消费，商业和工业产品中都有应用。
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 以MEMS麦克风为例的一些基本特征和因素如下：
-#### 顶部和底部端口的设计
-MEMS麦克风封装需要一个孔，以便声波可以到达隔膜。这个孔可以放在包装盖上(顶部端口)或在底部靠近焊盘(底部端口)。选择顶部或底部端口麦克风取决于许多因素，例如空间限制，麦克风位置和电路板设计。通常，底部端口麦克风比顶部端口麦克风提供更好的性能。
 #### 信噪比（SNR）
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 #### 灵敏度（Sensitivity）
-灵敏度，定义为模拟输出电压或数字输出值与输入压力之比，是任何麦克风的基本特征。MEMS麦克风能检测到的最低声压级是它的灵敏度。对MEMS传声器在1kHz频率和1Pa声压下的灵敏度进行了测试。模拟MEMS麦克风的灵敏度以mVRMS/Pa或dBV/Pa表示，而数字MEMS麦克风的灵敏度以dBFS表示(相对于满量程输出)。高灵敏度麦克风并不总是优于低灵敏度麦克风。灵敏度表示麦克风的特性，但不一定表示其质量。
+灵敏度，定义为模拟输出电压或数字输出值与输入压力之比，是任何麦克风的基本特征。MEMS麦克风能检测到的最低声压级是它的灵敏度。对MEMS传声器在1kHz频率和1Pa声压下的灵敏度进行了测试。模拟MEMS麦克风的灵敏度以mVRMS/Pa或dBV/Pa表示，表达式如下图所示。
+{{ ::模拟灵敏度.png?400 |}}
+其中OutputAREF为1000mv /Pa (1v /Pa)参考输出比。
+而数字MEMS麦克风的灵敏度以dBFS表示(相对于满量程输出)。如下图所示。
+{{ ::数字灵敏度.png?400 |}}
+其中OutputpREF是满量程数字输出电平。需要注意的是，数字麦克风的灵敏度——以dBFS(相对于数字满量程的分贝)为单位，并没有那么简单。单位的不同指向一个微妙的对比数字麦克风和模拟麦克风的灵敏度定义。对于具有电压输出的模拟麦克风，对输出信号大小的唯一限制是系统电压电源的实际限制。虽然它可能不适合大多数设计，但是没有物理原因解释为什么模拟麦克风不能有20dBV的灵敏度，10V输出信号作为参考电平输入信号。只要放大器、转换器和其他电路能够支持所需的信号电平，这种灵敏度就可以实现。数字麦克风的灵敏度不太灵活;它取决于一个单一的设计参数，最大声学输入。只要全量程数字映射到麦克风的最大声学输入(合理的映射)，灵敏度必须简洁表示为是这个最大声学信号和94dBSPL参考之间的差。因此，如果一个数字麦克风的最大声压级是120dB，那么它的灵敏度将是26dBFS (94dB-120dB)。对于给定的声学输入，没有办法调整设计以使数字输出信号更高，除非最大声学输入降低相同的量。
+高灵敏度麦克风并不总是优于低灵敏度麦克风。灵敏度表示麦克风的特性，但不一定表示其质量。
 本文[[https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/understanding-microphone-sensitivity.html|了解麦克风的灵敏度]]解释了在麦克风选择过程中，了解麦克风灵敏度对于任何工程都是至关重要的。
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 功耗是最关键的设计考虑因素之一，特别是对于便携式和手持电子设备。因此，选择高能效的MEMS麦克风至关重要。与传统麦克风相比，MEMS麦克风功耗更低，因为所有电路都被封装在一个IC封装中。此外，模拟MEMS传感器具有更少的层级，所以模拟MEMS传感器比数字传感器消耗更少的能量。
-#### 空间（Dimensions）
-麦克风的尺寸是现代便携式电子设备设计中的另一个重要考虑因素。电子产品每天都在缩小，可用的空间相当有限。MEMS麦克风在这方面是优秀的，因为它们的小尺寸。由于这个原因，制造商在平板电脑、手机、智能手表和其他便携式设备中使用这些麦克风。
 #### 噪声基线（Noise floor）
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 #### 频率响应（Frequency response）
-频率响应是麦克风在不同频率下灵敏度的变化。MEMS传感器工作满意的典型频率范围在100Hz和10khz之间。因此，高性能MEMS麦克风在整个可听范围内(即20 Hz至20 kHz)提供平坦的频率响应。
+频率响应是麦克风在不同频率下灵敏度的变化。如果一个麦克风要用于讲话，一个语音麦克风，它必须有很大的低音增益，因为人类的声音是在低频。如果麦克风要用来录制音乐，它必须从低音到高音有很大的增益，因为音乐通常有从低到高的所有音调。这就是为什么麦克风频率响应运行。下面是在两个耳机上执行的麦克风频率响应示例图。
+{{ ::nc-250.png?600 |}}
+基于这些数据，我们现在可以看到麦克风在从20Hz到20KHz的所有频率下产生的增益。我们看到，NC-250(蓝线)在带宽范围内的所有频率(20Hz至30Hz和1.5KHz至约4KHz)都具有优于通用耳机(红线)的增益。所以除了那些非常低的频率和中频，NC-250比普通耳机有更好的增益。
+{{ ::平坦.png?600 |}}
+如上图所示，通常情况下，麦克风频率响应所期望的是平坦响应。在这种响应中，麦克风对低频和高频产生大致相同的增益。为什么要这样做呢?因为当我们处理音频时，比如音乐，它包含低音和高音，我们不希望在我们通过扬声器听音乐时，其中一个播放的声音比另一个大，或者在我们录制音乐时，录制的声音比另一个大。如果麦克风放大低音比高音更大，它将以更大的音量录制低音。这会产生不平衡的录音。MEMS传感器工作满意的典型频率范围在100Hz和10khz之间。因此，高性能MEMS麦克风在整个可听范围内(即20 Hz至20 kHz)提供平坦的频率响应。
 #### 电源抑制（Power supply rejection）
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 ### 5. 参考案例
-采用RP2040设计了一个检测声音的装置，通过电位计调节蜂鸣器来模拟声音，如果声音超过阈值那么开发板周围12个灯亮红色，并将声音显示在oled屏幕上。
+原理框图：
+{{drawio>Microphone_框图.png}}
+采用RP2040设计了一个检测声音的装置，通过电位计调节蜂鸣器来模拟声音，如果声音超过阈值那么开发板周围12个ws2812 RGB灯亮红色，并将声音显示在oled屏幕上。
+连接图：
+{{ ::pico-breadboard_bb.png?1500 |}}
 程序：