在十多年前，微机电麦克风(MEMS Microphone)或者称为硅麦克风(Si-Microphone)出现，凭借其良好的性能，以及本身的可靠性一致性，迅速成为消费类产品的首选元器件。在过去的2019年当中，全球硅麦克风的出货达到近60亿只。当今各种智能设备的语音入口，都将是硅麦克风大展拳脚的领域。无论是模拟硅麦克风还是数字硅麦克风产品的数据手册中包含很多技术规格可能不为大家所熟悉或者熟悉但相关测试方法不是很了解，本篇文章主要解释硅麦克风技术规格和相关测试方法。' O( B8 U  p0 P8 S; m

/ L( Y5 z6 D: a2 A

7 I. U$ n& R( t3 h) |

7 y8 B- L% C2 h$ D6 o2 R+ ~  消耗电流 (Supply Current)

2 G3 |2 l* Y- n0 s5 c# e3 n& ~6 j- m  O

* z! u3 ^1 F4 s& [3 F

在硅麦克风产品中通常把电源端(Vdd)流过的电流称作消耗电流(输出端悬空)。一般模拟硅麦克风产品在Vdd=2v时，消耗电流约100uA~130uA。数字麦克风在500uA~800uA之间。测试方法如图1所示

9 n' r% f% N/ M* ~3 A* C- i

( k, |$ X( z8 P9 c  }- A● 将硅麦克风放置在测试工装上；3 v& L; ]: x' r1 z' H/ |! i( e. w$ X

# ?. A: @2 Q+ N+ m$ u● 向硅麦克风提供Vdd等工作条件并串联电流表；

# w) _) ?8 ^1 L# M0 u8 i

. v7 {0 m/ J" g) M● 输出端悬空，读取电流表。

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1 h. ]- H) e! _% P4 E% |) @

图1 测量硅麦克风消耗电流

! o5 X2 A9 ^7 x  _2 W: f+ P1 }0 M2 }" Q- t* X7 o! q. H( M+ k3 c

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& H. M* @0 P) C

+ ], f9 ^+ x8 F$ Q: {: ?  输出直流电压 (VDC)

3 ?- G' Z; C/ Y* y0 |) g# e; E3 @) v8 L

5 Z. l, `* `' n: U. m# o" T& b3 e9 N: Z: ?2 t) K6 R

0 Z, L* }6 O4 }( q! E& I       此技术规格只针对模拟硅麦克风，通常把模拟硅麦克风的输出端(OUT)的直流电压称为输出直流电压。一般模拟硅麦克风在Vdd=2v时，Vdc约0.5v~1.0v之间。测试方法如图2所示

' P5 r  X* f7 \+ r; r3 t' D# E8 D

● 将硅麦克风放置在测试工装上；

7 Y0 a& _3 R0 a& e* \" s3 n0 F2 [1 ^  d  ^% v* }& i0 e" J/ u  z

● 向待测MIC提供Vdd工作条件,OUT端对GND并联电压表；

' `& k( u: y) I; e; z( H% P

' R3 ?6 n% ], S6 W8 B7 d● 读取电压表数值。7 {% ^, B3 y0 u9 B4 F- i2 G' t

) Z0 B( l' y% R3 K8 R+ P/ U; f4 {" h( J( E

图2 测量硅麦克风VDC值- I/ p; J7 s# Z, E# S

" F1 L1 y) m, x3 S, ^, g7 `; P. J

$ u' W+ o1 w9 R: Z$ P" {6 o

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交流输出阻抗(Zout)1 |9 L" l7 P) J3 b+ z, T

# U: J4 h5 M/ i/ n# [9 u* I& H

& l: o6 b: U" d      此技术规格只针对模拟硅麦克风，通常模拟硅麦克风的输出端有个不大于400Ω的输出阻抗，被称为交流输出阻抗。测试方法如图3所示, |7 Q2 ?, F4 \3 \0 H# Q

C/ D: D. _  |( y1 Y* U% d( p

● 将硅麦克风放置在夹具上，并向待测麦克风提供Vdd工作条件；7 Z" R; U9 p# v, X

9 u4 p5 S" A* B" S: W● 不加图3虚框内电路，测试OUT端交流信号幅值V0；! w8 \6 W* |4 E& E3 e0 S) n9 J1 V9 H

6 G5 I3 H& W% D0 M● 加图3虚框内电路，测试OUT端交流信号幅值V1；2 g& g) j" Q& B  X

, M( q. |4 G+ L' Q! [8 `! W● Zout=V0*R/V1-R0 A+ \4 a8 T5 T& C, E

" Y& F' \+ }7 J! V* \& J: u" L5 m  |1 R* \

图3 测量硅麦克风交流输出阻抗4 P- J" N7 f* {& ?

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7 w' ?+ |5 D, n& T

" J9 R7 |; A& b/ i   灵敏度(Sensitivity)

5 O9 H8 Z! ^  y. ~4 x2 a/ r8 Z0 l! `) o1 v* ~! \9 `

/ a0 r  G1 m1 L& B/ w2 ]6 r4 F0 v

对于硅麦克风，灵敏度定义是在94dBSPL@1kHz的声压水平信号下(BK4231可以发出标准的94dBSPL声压水平的1kHz正弦信号)的麦克风输出信号大小。模拟硅麦克风通常用dBV来规定，即相对于1.0Vrms的dB数。数字硅麦克风通常用dBFS来规定，即相对于满量程数字输出(FS)的dB数。一般前进音模拟硅麦克风灵敏度为-42dBV，后进音模拟硅麦克风灵敏度为-38dBV。模拟硅麦克风灵敏度=20log10(Voutrms)，Voutrms是模拟硅麦克风输出交流信号有效值。数字硅麦克风灵敏度 =20log10(OUT/REF)，OUT为数字硅麦克风输出码字，REF为满量程数字输出码字。5 ~9 Y2 F% c; d+ \5 T' |$ P

D- f( \( \$ q: G3 \) @$ f$ s# v

$ [" m8 G+ I6 I" r: i

- y- _: p+ F& }' m# }   噪声(Noise)

8 }, J9 M$ @5 F% N5 q

1 l3 I( `- ^* x8 Y, h  R) ?

& H6 k. R( L& C6 e# j       一般指电声系统中除有用信号以外的总噪声，电子元器件的本底噪声是主要由于器件工作时产生的热噪声引起的。模拟硅麦克风通常用dBV(A)表示，数字硅麦克风通常用dBFS(A)表示。测试方法如图4所示0 j* z5 s/ W: W; L! u$ r1 m

5 w* F: N5 y6 m" Y3 p4 C+ h3 J

● 将硅麦克风放置在夹具上并放入消声墙体内，并向麦克风提供Vdd等工作条件；

$ J8 t7 Z" I1 [4 G! q' K5 _5 y

% O! M4 T) W# R, `! K) }% R5 P8 i. A●用音频分析仪测试麦克风输出信号(A-weighted，BW=20Hz-20kHz)2 z* F/ l; Z7 l6 U

" q  Z& j) V6 n- M( x; V: h

● 在20Hz~20kHz范围内对频谱进行A加权之后的平方积分，Pnoise=10*log10(sum(fft_outa^2))$ A9 L4 t( ^( b

- T/ H. C0 W- z2 X" F6 h" b

2 ]: }' A8 Y; Z- I) p7 L

图4 测量硅麦克风噪声

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& z3 Y; l  K3 O7 P

- G9 L1 T! S% ?# i& h6 F3 Z. z6 B   信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR). N5 k- Q8 d9 e

9 I* d+ {5 c! Y# @  c5 P: p9 _. j' Z' U

对于硅麦克风，一般把麦克风的输出灵敏度(Sensitivity)与输出噪声(Noise)的比作为信噪比，通常用dB表示。以dB值计算，SNR=Sensitivity-Noise，即硅麦克风的信噪比。4 @2 h7 d) N$ Q3 [

) m0 c/ F! p0 p+ Z: m% q: R7 t9 e" \! q# X: I; O

7 d# I( M' @: c9 i* D   频率响应(Frequency Response，FR)

# q8 Y, r$ p6 R5 B- D1 H# {$ N5 K  M( C& V3 {- ]/ m

' m  r* Z' v( {! O      频率响应也称频响曲线,是指输出信号随频率的变化曲线，通常50Hz-17kHz。理想的频响曲线应当是平直的，但实际MEMS结构和封装的影响，低频可能略低，高频上翘，如图6所示。1kHz所对应的数值即为灵敏度。测试方法如图5所示]# m, }, H# k, [

7 G$ H. {- r; k, j4 O

● 标准金咪(Golden MIC)校准94dBSPL声场；) s8 r' k4 y7 D% ?9 J+ J

F9 o# @5 o+ a  Y3 I● 将硅麦克风放置在夹具上，并提供Vdd等工作条件；

( {+ l) z/ V6 X. l! C

( m) o+ g& _2 G6 y● 音频分析仪测试不同频率下MIC输出信号。

# y* k+ X# p. y1 E1 H, m+ F5 p, {

$ q, c1 a2 V5 c: Y; G$ `) D  X: }

. o: {: u8 r+ \/ `7 `5 J图5 硅麦克风频率响应测试方法

# V% n) m0 ~( @

3 \& K' u0 o6 f  P) X$ d. w, z

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* y) \8 ]. v6 S& B* G; C

8 x- R- F" E4 p$ ]) f& L图6 硅麦克风频率响应示例

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