關於數字 MEMS 麥克風，你了解多少？

摘要：要測試數字 MEMS 麥克風的聲學參數，數字信號需要接入音頻分析儀，或轉換為其它格式，比如模擬信號。為了確保數字信號的完整，數字 MEMS 麥克風和音頻測試系統間的距離越短越好。

數字 MEMS（MicroElectroMechanical System 微型機電系統）麥克風在各類消費設備，機動車輛和工業應用中廣泛使用。一支 MEMS 麥克風的聲學傳感器和數模轉換器集成在一塊矽片上。只占用 PCB（印刷電路板）上很小的空間，讓麥克風可以和信號處理器直接相連。

六支 MEMS 麥克風組成的陣列

由於語音識別類應用的高速增長，數字 MEMS 麥克風通常以陣列的形式出現。為了確保完美無瑕的運行，麥克風的絕對技術指標，以及更重要的，陣列中所有麥克風相互協同的性能都必須嚴格測試。

數字 MEMS 麥克風特性

主流 MEMS 麥克風輸出 1/2 周期的 PDM（脈沖密度調制）數字信號。麥克風需要一個時鐘輸入（CLK），並通過 DATA 接口輸出數據。此外，兩支麥克風共用一條數據線。因此，它們分別配置為「左（L）」或「右（R）」麥克風。只需將 L/R 輸入接 Vdd 或地即可做到。MEMS 麥克風供電大多為 1.8 V 或 3.3 V。

實際運行時，「左」麥克風會在時鐘信號的每個上升沿寫下一個字節，「右」麥克風則在下降沿。當一支麥克風寫數據時，另一支麥克風會將數據輸出端置於高阻抗模式。在接收信號的信號處理器中（DSP），左右兩個信號再被一起灌入兩個信號流中。

兩支數字 MEMS 麥克風工作示意

如果兩支麥克風中的一支沒有安裝或丟失了呢？

只有一支 MEMS 麥克風正常工作示意

示例中，右麥克風丟失，因此只剩左麥克風在寫入數據。在信號下降沿，左麥克風將其數據端口置於高阻抗狀態。數據鏈仍保持之前的狀態，這樣，對於數據接收端的 DSP 來說，右麥克風傳來的信號和左麥克風完全相同。兩條數據流是一樣的！測試系統必須能識別這一問題，測試電路板上的 MEMS 麥克風陣列時，檢測麥克風丟失是最基本的。

控制數字 MEMS 麥克風的時鐘頻率從幾百 kHz 到 3 MHz 不等。頻率越低，功率越小，音質也更差。

為了確保數字信號的完整，數字 MEMS 麥克風和音頻測試系統間的距離越短越好。這類麥克風不適合連接過長且電容過高的纜線。

測什麼？

要測試數字 MEMS 麥克風的聲學參數，數字信號需要接入音頻分析儀，或轉換為其它格式，比如模擬信號。品質控制測試中涉及的參數和其它大多數麥克風基本一致，如靈敏度，頻率響應，失真，信噪比（SNR）等。實驗室環境下完整的測試內容有 EIN（等效輸入噪聲），PSR（電源抑制），PSRR（電源抑制比）和動態範圍等。此外，還可以通過轉台測試麥克風在不同頻率下的指向性。

麥克風極性圖

對於所有的絕對測量（單位不是 % 或 dB），數字 MEMS 麥克風測量結果的單位不同於模擬麥克風。比如模擬麥克風的靈敏度單位是 mV/Pa 或 dBV/Pa，而數字麥克風的單位則為 dBFs，它表示「滿刻度分貝」，描述的是 94 dBSPL（1 Pa）到被測麥克風最大數字輸出間的餘量。這個最大輸出也是 AOP（聲學過載點）。

聲學 vs. 數字 vs. 模擬

測試單支 MEMS 麥克風的情況其實非常少見。多數情況下，測試的都是集成在電路板上的多支 MEMS 麥克風。要確定該電路板的性能，必須弄清所有 MEMS 麥克風之間的相對性能。一個典型的參數是「靈敏度跨度」，也就是 MEMS 麥克風中最大靈敏度和最小靈敏度的差值。

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