硅麦克风技术规格及测试方法

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      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。
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0 n$ R9 d2 _  ~, l) J1 U  消耗电流 (Supply Current)
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* |" n/ G7 E9 u- s$ \) G/ r! Z! _
( I! U2 g" o: F/ z# E+ p      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

● 将硅麦克风放置在测试工装上；

● 向硅麦克风提供Vdd等工作条件并串联电流表；
7 X) ?, |6 D( I4 Z# F. g/ w) A
● 输出端悬空，读取电流表。
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/ K0 l( U8 Q5 J6 N* M: m图1 测量硅麦克风消耗电流
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  输出直流电压 (VDC)
5 a  `* j1 s, Z" M; Y% P& S: H
, W) y1 ~/ H# s4 `0 V  k


       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
( E0 U0 L0 L- t' O8 U- q8 a. Z/ k
● 将硅麦克风放置在测试工装上；
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● 向待测MIC提供Vdd工作条件,OUT端对GND并联电压表；
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● 读取电压表数值。
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图2 测量硅麦克风VDC值
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9 R* B* P6 Y. d8 w2 ]7 r+ z3 [2 L
  交流输出阻抗（Zout）
4 n- R; w+ Q% c7 v

. e9 `, m# o0 v+ ~- P      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
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, O- b' o  g# T. ?7 g: l● 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；

● 不加图3虚框内电路，测试OUT端交流信号幅值V0；

- d2 w* O: U& y% F* s+ z● 加图3虚框内电路，测试OUT端交流信号幅值V1；
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$ O% o' s% a% W- o● Zout=V0*R/V1-R

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! P( a; c8 @6 y1 c! M图3 测量硅麦克风交流输出阻抗
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2 w/ b* g  e) K* `- b   灵敏度（Sensitivity）
$ E9 X- g6 S+ K* H+ H$ s
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       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。
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   噪声（Noise）
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& B: w5 z1 e3 |1 o; T  b
       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

● 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；
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7 f8 `# B4 r6 \, r& }●用音频分析仪测试麦克风输出信号（A-weighted，BW=20Hz-20kHz）
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● 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))

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图4 测量硅麦克风噪声

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   信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）


      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。
$ O7 b, n0 b4 G. F& D+ X9 V
, L$ e/ R1 d) c2 D) ?- U8 q7 [+ G

* y- A$ C1 R" ~   频率响应（Frequency Response，FR）


! e5 i9 S! X9 W" U2 ~  u      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

3 w) e, Q% I  b& h$ L5 k) s- q/ g● 标准金咪（Golden MIC）校准94dBSPL声场；
7 O1 ?7 g7 ]9 e- v' v5 }* F
● 将硅麦克风放置在夹具上，并提供Vdd等工作条件；
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  _/ A0 M* p9 k6 ?● 音频分析仪测试不同频率下MIC输出信号。


图5 硅麦克风频率响应测试方法
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, N8 Y: g0 e; r( H: G

9 k+ I7 Z0 |9 C3 D& `5 X图6 硅麦克风频率响应示例
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  总谐波失真 (Total Hormonic Distortion, THD)


, V$ Y, h+ Z5 E5 l3 X       总谐波失真(THD)衡量在给定纯单音输入信号下输出信号的失真水平，对于麦克风，通常用百分比表示。此百分比为基频以上所有谐波频率的功率之和与基频信号音功率的比值。THD值越高，说明麦克风输出中存在的谐波水平越高。通常麦克风的THD利用基波的前五次谐波计算，谐波和波形畸变如图8和9所示。测试方法如图7所示

/ Y. m0 h% P1 J) M: g& a3 B● 将硅麦克风放置在夹具上，并提供Vdd等工作条件;

● 用音频分析仪提供Gras 44AA驱动信号，测试MIC输出信号；

● 总谐波失真THD，一般仅计算前2次到5次谐波的能力分量，在图8中，1kHz的谐波，仅计算2kHz~5kHz谐波的能量。其余高次谐波忽略。
1 f7 [0 R+ s: o' R/ T8 i

* h! V( g* ?; z图7 硅麦克风总谐波失真测试方法
* T6 J/ A* T1 {- z; ?
' N* v; e/ }9 T3 {7 G. Y7 u$ _
& D9 K# w. }# c% E# d( J" V

9 O" k/ e% O5 O, L3 C% u图8 谐波失真波形示例
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+ Y# k6 x& [3 V9 U& N( X
9 U* o/ \& {9 t' }" `8 e4 l

4 j% o% _1 T3 d& a7 G图9 已经失真的硅麦克风输出信号


3 Z! m# p3 Y) r& h$ S
最大声学输入(Acoustic Overload Point, AOP)
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       最大声学输入一般指硅麦克风能够承受的最高声压水平，高于此声压水平会导致输出信号严重的非线性失真。通常把THD为10%所对应的声压水平作为AOP。


( S) C6 t- I9 W) L7 y; u  w9 a
* ~# D& |: t+ V3 m8 {3 b电源抑制比(PowerSupplyRejectionRatio,PSRR)


) w, g' z( L! [9 M) f+ \  G       硅麦克风的电源抑制比是衡量其抑制电源引脚上的噪声，使之不影响信号输出的能力。通过将一个1kHz、200mVpp的正弦波施加于麦克风的Vdd引脚来测量，用输入信号的Vpp比上输出信号的Vpp值，以dB表示，PSRR与频率的关系如图10所示。


0 ~9 Q( o8 m2 u) m) B/ L2 s图10 硅麦克风PSRR与频率的关系


/ Q' X; p0 o2 I/ B8 P
4 h$ ]! o& j# v! F 电源抑制（Power Supply Rejection，PSR）
, A4 l$ y$ S. u1 J: Z% _
# q+ U3 e  D( K4 c% c6 l% |* \
+ Z: s4 z# {/ }7 ]      PSR通常也以dB表示，也可能是正值或是负值，取决于PSRR是定义为电源电压变化除以输出电压变化，还是相反。一般将一个217Hz、100mVpp的方波施加于麦克风的Vdd引脚来测量，测试PSR时的频谱如图12所示。PSRR/PSR测试方法如图11所示。通常情况，测试指标为PSR+N，也就是在20Hz~20kHz范围内，对输出信号的频谱功率进行积分求解。此指标主要是表现产品对电源噪声在整个音频频带内的抑制能力。
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● 将硅麦克风放在夹具上，并提供Vdd等工作条件，● 100mVpp@217Hz方波信号叠加在Vdd上；

' M5 G+ S+ z, t0 H+ M● 用音频分析仪测试MIC输出信号。
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9 k# L; a2 @* q: O: l图11 硅麦克风PSR/PSRR测试方法
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: n9 e+ L8 q$ L: ~) ]


图12 PSR测试频谱

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其他


9 H" w3 s: w& [7 P! B; L      以上基本涵盖了硅麦克风绝大多数的性能指标，对于绝大部分客户来说，通过对以上指标的判断就可以决定这颗硅麦克风是否可以使用。当然还有很多其他指标，如Latch Up，极性，相位等，在此就不一一涉及了。各位读者也可以留言进行进一步交流。