几乎所有音响应用均把输入音响讯号转换成数字呈现（digital representation），以便进一步处理信息。由于真实世界中的音响讯号是微小的模拟讯号，在这些系统的输入端有两种不同的功能：（预先）放大和模拟─数字转换（ADC）。美国国家半导体已开发出一种整合电路（IC），通过替代一般电容式麦克风（ECM）内的JFET，可实现ECM的完全数字输出。此类麦克风很容易制造，因?四线麦克风仅有电源、地线、时钟和数据等四处连接，可以完全消除一般ECM所呈现的低水平模拟讯号。

音响讯号的模拟－数字转换

最普通的（整合）系统将预先放大音响讯号，然后使用超取样积分三角转换器（over sampled Sigma-Delta converter）和一个数字滤波器来处理音响输入。此类型的ADC存在三种不同的组成部分：模拟预放大器、积分三角调制器和取样滤波器。模拟预放大和积分三角转换通常固定于增益和取样频率，而数字滤波则适应于软件用户化和实时要求。

系统分区

许多因素使得上述组件无法实现高成本有效性、高可制造性和灵活分区。只有消除这些因素，这些组件才能实现最佳分区。

(1)ECM的生?可靠性和成本

最普通的ECM具有一个双线接口：GND和讯号/偏移（Signal/Bias）。两个同心圆环将组成连接插脚，如(图一)。此种对称设计使得金属筒可以方便地与插座匹配。

《图一 PCB配置图：显示一般的双线圆心阳膛形式，以及双线和三线阳膛形式。》

输出插脚的数量增加将改变金属筒的设计，并使ECM的安放变得复杂。因此，必须将插脚数量减少到3－4个。目前制造四线ECM是非常可行的，其中两个接线分别是电源和GND，另外两个留给I/O功能。

(2)用户适应性和客制化

大多数应用均要求一定的客制化，其在于音响讯号的校准、实时适应和实时客制化。这一要求经常由预放大组件或（数字）滤波组件来实现，后者对于形成音响响应非常有用，其形成的数字呈现最适合于进一步处理。例如在积分三角ADC中，取样滤波器决定讯号─噪声率，以及音响带宽。不同的滤波器能导致Hi-Fi音响质量或高度压缩的声音频号。此外，可以通过数字滤波抑制不需要的讯号，如回声。因此，让用户或系统控制该滤波器十分重要，而在ECM内部以硬接线方式布置一个特定的滤波器是不可行的。

(3)总体复杂性和标准化

从ECM通向数字讯号处理（DSP）单元的大量I/O讯号，可导致麦克风与数字处理系统间的接口变得复杂。如果实施完整词句的数据传输，并同时具备强健通信（robust communication）所需的除错、同步和其他相关指令时，这样的系统在插脚数量和（数字）功能性方面将会十分复杂，另外找到通用标准并达成一致的过程将延缓市场对该种麦克风的接受度。而用于模拟讯号处理（预放大和A/D转换）最具成本有效性的处理技术，通常不是数字讯号处理的最佳选择。

基于上述的原因，我们将数字麦克风选择以下分区方式。在EMC的内部，一个单一IC将实施预放大和积分三角调制器的功能。该组件的输出是一个超取样单比特流，输入是一个时钟讯号。调制器自由运行，时钟讯号出现时，转换立刻开始，时钟讯号?弱时，转换停止。显示本系统的组件示意图，如(图二)所示；图二中英文名词对照表，如(表一)所示。

《图二 位于ECM内部的数字麦克风之IC组件示意图》

在任何积分三角A/D转换器中，该超取样比特流均存在并形成数字滤波器的输入。让此种讯号存在于ECM的输出中具有以下好处：

《图三 数字ECM截面图》

应用

该数字麦克风可应用于许多音响。而其设计和生产此种ECM与一般的JFET ECM并无实质区别，以下是两种可从本技术中受益的应用：

数字行动通讯装置

数字行动通讯装置从此种ECM获益之处在于接口的抗干扰性。现今的音响输入承受低模拟电位，需要下大功夫设计外部滤波组件。存在大型抗干扰讯号消除滤波需要，并在基频ASIC和RF部分方面使麦克风的设置变得容易。

在基频IC内部消除ADC为将来全数字基频处理器铺路，该处理器可利用高效能数字技术，但该技术对敏感的模拟讯号处理并不适用。现今已出现利用更高效率驱动（如D类）的趋势，其将从一个全数字基频IC中提取数字编码讯号。当采用需要较少滤波的D类驱动时，滤波组件择其一选择。采用D类音响驱动一系统的组件示意图，如(图四)显示。 图四中英文名词对照表，如(表三)所示。

《图四 一全数字元音响系统组件示意图》

TMS320VC5510是NSC麦克风技术与现今移动通讯DSP系统配合的应用例子，其构造与一DSP单元有关联性。数字麦克风通过两个通用I/O埠与DSP通信，一条线连接时钟讯号，一条连接数据讯号。显示该应用的测试结果，如(图五)所示﹔图五中英文名词对照表，如(表四)所示。

《图五 一数字麦克风在输入声道1kHz时之输出频谱》

数字消费性电子产品

在低成本消费性电子设备中，数字麦克风可直接与一个微处理器接口配合，从而形成一个系统，仅使用一个数字IC，读取麦克风的数字比特流，并直接发送诸如脉冲密度调制讯号（PDM）给扬声器，如图四所示。根据所需的音响讯号质量，此过程可无须滤波组件。采用的微处理器能取得一个单比特流作为输入，并发出一个PDM讯号，这可使系统的体积缩小，并且只需使用很少的组件。

结论

一ECM中代替JFET的单芯片，其解?方案可以实现高成本效益，并能大量生?麦克风。数字音响系统中不同组件的分区方式使得ECM具有数量最少的插脚，并可通过整合模拟和数字功能的处理技术优化使用。使用灵活度得以维护，并通过在麦克风外部消除敏感的模拟讯号提高总体抗干扰性。

（作者任职于美国国家半导体放大器产品部）

参考文献：模拟、预放大麦克风IC

美国国家半导体，LMV1012?品资料表，http://www.national.com/pf/LM/LMV1012.html

美国国家半导体，LMV1014?品资料表，http://www.national.com/pf/LM/LMV1014.html

采用模拟预放大器的电容式麦克风

Best Sound（BSE）电子：内置式增益（BIG）ECM 产品数据表OBBG-0615S和OBBG-0622S

Best Sound（BSE）电子：内置式增益（BIG）ECM 产品数据表UBCG-0618L、 UBCG-0622L 和 UBCG-0636

数字麦克风技术

http://www.national.com/see/mic

数字扬声器驱动器

http://www.national.com/pf/LM/LM4665.html