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移動電話技術在拍照分辨率和圖像捕捉能力方面進步迅速，給消費者帶來了不小的驚喜。對成像技術的重視使得手機成功取代了成千上萬的相機。

實際上，移動平台在圖像記錄方面的成功喚起了人們對音頻質量的注意，這是大家不太注意但同樣重要的影響消費者多媒體體驗的因素之一。而音頻質量取決於所用MEMS麥克風的性能。

在拍照智能手機並不太長的發展歷史中，音頻質量的進步速度沒有視頻質量那麼快。其原因之一是欠缺消費者需求。其原因非常簡單，當您進行語音通話時，好的麥克風主要是讓接聽者受益，而不是手機的擁有者。這使得難以向智能手機購買者推銷優質MEMS麥克風。

如今智能手機裡的MEMS麥克風不僅僅只是捕捉聲音進行傳輸。它們還以非常低的功耗用作音頻傳感器，以實現語音激活和控制。當手機被用於視頻錄製時，它們可提供高質量的音頻。視頻錄製模式推動MEMS麥克風向更高的聲學性能發展。當智能手機錄得超高清視頻，但音頻質量卻不敢恭維時，這會非常令人失望。

由於智能手機用戶在播放視頻時可直接感受到MEMS麥克風的性能，因此MEMS麥克風質量成為一個差異化因素。如果音頻質量不佳，可能會毀掉錄製的視頻，哪怕視頻擁有4K分辨率。

聲學過載點（AOP）

視頻錄製（和分享）的流行導致了對MEMS麥克風聲學過載點（AOP）的更加重視。除了眾所周知的信噪比（SNR）之外，AOP是MEMS麥克風最重要的質量指標。

AOP指的是MEMS麥克風總諧波失真（THD）等於10%時的聲壓級（SPL）。作為一個可衡量的特性，AOP可用於評估MEMS麥克風在高聲壓水平下的性能，包括高噪聲環境，比如音樂廳和夜店。在某些應用場景下，甚至是風噪都能導致MEMS麥克風達到聲學過載點。

過去，MEMS麥克風製造商使用120dB SPL作為大多數MEMS麥克風的基礎AOP水平。最近，AOP要求上升至130dB SPL，甚至更高。這額外的10 dB可使最終用戶享受到卓越的聲學性能，即使是在嘈雜的音樂廳環境。此外，實現了更強的抗風噪性能。智能手機適用的音頻算法可更好地處理音頻信號，而不會產生偽跡。

圖1：典型MEMS麥克風設計包含MEMS芯片和ASIC

使用微機電系統技術

智能手機的麥克風是採用半導體生產工藝批量製造的MEMS（微機電系統）設備。典型設計包含一個MEMS芯片和一個ASIC（圖1）。傳感器中有一個隨聲壓不同而移動的傳感膜，這可在ASIC中產生電信號，經放大後用於模擬麥克風，或經ADC處理後用於數字麥克風。

英飛凌創造了採用芯片組的高聲壓級麥克風組件，並銷售給MEMS麥克風製造商。該解決方案由MEMS元件和具備模擬或數字輸出的ASIC組成。MEMS麥克風將音頻信號轉換成電信號，從根本上來說是一個直流偏置電容偏壓電容器，聲壓變化引起膜片移動可改變電容器背板電壓（圖2）。

圖2：MEMS麥克風電容式傳感器原理： 上圖為單背板；下圖為雙背板

處理高聲壓面臨的主要挑戰是膜片的大幅度移動，當膜片移位達到極限時就會導致失真。面臨的第二個挑戰是設計一個能處理MEMS元件生成的高信號的ASIC。

實現高聲壓級MEMS麥克風的方法之一是通過硬化傳感膜或降低偏置電壓來削減麥克風的靈敏度。這會減少傳感膜的移動，因此生成的信號要低一些。然而，這也會相應降低另外一個參數——信噪比（SNR）。在許多應用場景下高SNR非常重要，意味著要求MEMS麥克風自身噪聲應盡可能低，但其靈敏度應盡可能高。

三明治效應

另外一種方式是將MEMS芯片佈置在兩個背極板之間（圖3）。這會帶來差分輸出（與單端輸出相比），具備以下數種優勢。

圖3：英飛凌針對高AOP麥克風的雙背板MEMS設計

● 雙背板MEMS麥克風由於其對稱性結構最大限度降低了失真。同樣原理適用於高端演播室電容式麥克風。

● 差分元件在音頻處理鏈（前置放大器、ADC等）中更易管理，這可潛在降低ASIC的功率要求。它還可降低RF干擾，從而減少信號處理步驟。

● 雙背板設計具有更強的抗風噪能力，而單背板高AOP麥克風製造商通常使用一個濾波器來消除低頻風噪，同時這也會對音頻質量產生影響。濾波器會過濾掉音樂錄製中非常重要的低音。畢竟對於音樂而言，低音不可或缺。

其結果是，雙背板MEMS麥克風在到達AOP的過程中具有更好的線性。與傳統單背板麥克風相比，音頻開始失真（2%）的聲壓級被提高了近10dB。這對於音頻信號質量具有重大影響（圖4）。

圖4：從智能手機拆解的MEMS麥克風測得的THD

英飛凌高聲壓級MEMS麥克風采用雙背板設計。這實現了非常高的AOP，同時具有當今市場同類產品相當或更高的SNR。音頻測試表明在良好的音頻播放和收聽條件下， 大於2%的THD就可以注意得到。因此以低於2%的THD實現超過當今最低行業標準130 dB SPL的AOP具有重大意義。

英飛凌委託一個獨立機構，遵照最新的ITU-T建議，使用POLQA（語音品質感受客觀分析）方法對麥克風性能進行評估。評估結果與主觀聽音測試結果一致，並表明採用英飛凌雙背板MEMS技術的麥克風具有傑出的性能。

有許多因素會影響智能手機MEMS麥克風的最終性能，包括音頻處理鍊和麥克風陣列的設計。還有多個變量會影響麥克風陣列的功耗，而雙背板設計的優勢之一就是可降低信號處理的複雜性。

最後，MEMS麥克風設計之路的最好起點就是聽音測試。可用測試盒（圖5）來比較低AOP麥克風和高AOP麥克風之間的區別，並為開發提供基準。

圖5：高AOP麥克風和低AOP麥克風便攜式現場演示器