幾乎所有音響應用均把輸入音響訊號轉換成數位呈現（digital representation），以便進一步處理資訊。由於真實世界中的音響訊號是微小的類比訊號，在這些系統的輸入端有兩種不同的功能：（預先）放大和類比─數位轉換（ADC）。美國國家半導體已開發出一種整合電路（IC），通過替代一般電容式麥克風（ECM）內的JFET，可實現ECM的完全數位輸出。此類麥克風很容易製造，因?四線麥克風僅有電源、地線、時鐘和資料等四處連接，可以完全消除一般ECM所呈現的低水平類比訊號。

音響訊號的類比－數位轉換

最普通的（整合）系統將預先放大音響訊號，然後使用超取樣積分三角轉換器（over sampled Sigma-Delta converter）和一個數位濾波器來處理音響輸入。此類型的ADC存在三種不同的組成部分：類比預放大器、積分三角調製器和取樣濾波器。類比預放大和積分三角轉換通常固定於增益和取樣頻率，而數位濾波則適應於軟體用戶化和即時要求。

系統分區

許多因素使得上述元件無法實現高成本有效性、高可製造性和靈活分區。只有消除這些因素，這些元件才能實現最佳分區。

(1)ECM的生?可靠性和成本

最普通的ECM具有一個雙線介面：GND和訊號/偏移（Signal/Bias）。兩個同心圓環將組成連接插腳，如(圖一)。此種對稱設計使得金屬筒可以方便地與插座匹配。

《圖一　PCB配置圖：顯示一般的雙線圓心陽膛形式，以及雙線和三線陽膛形式。》

輸出插腳的數量增加將改變金屬筒的設計，並使ECM的安放變得複雜。因此，必須將插腳數量減少到3－4個。目前製造四線ECM是非常可行的，其中兩個接線分別是電源和GND，另外兩個留給I/O功能。

(2)用戶適應性和客製化

大多數應用均要求一定的客製化，其在於音響訊號的校準、即時適應和即時客製化。這一要求經常由預放大元件或（數位）濾波元件來實現，後者對於形成音響回應非常有用，其形成的數位呈現最適合於進一步處理。例如在積分三角ADC中，取樣濾波器決定訊號─雜訊率，以及音響頻寬。不同的濾波器能導致Hi-Fi音響質量或高度壓縮的聲音訊號。此外，可以通過數位濾波抑制不需要的訊號，如回聲。因此，讓使用者或系統控制該濾波器十分重要，而在ECM內部以硬接線方式佈置一個特定的濾波器是不可行的。

(3)總體複雜性和標準化

從ECM通向數位訊號處理（DSP）單元的大量I/O訊號，可導致麥克風與數位處理系統間的介面變得複雜。如果實施完整詞句的資料傳輸，並同時具備強健通信（robust communication）所需的除錯、同步和其他相關指令時，這樣的系統在插腳數量和（數位）功能性方面將會十分複雜，另外找到通用標準並達成一致的過程將延緩市場對該種麥克風的接受度。而用於類比訊號處理（預放大和A/D轉換）最具成本有效性的處理技術，通常不是數位訊號處理的最佳選擇。

基於上述的原因，我們將數位麥克風選擇以下分區方式。在EMC的內部，一個單一IC將實施預放大和積分三角調製器的功能。該元件的輸出是一個超取樣單位元流，輸入是一個時鐘訊號。調製器自由運行，時鐘訊號出現時，轉換立刻開始，時鐘訊號?弱時，轉換停止。顯示本系統的元件示意圖，如(圖二)所示；圖二中英文名詞對照表，如(表一)所示。

《圖二　位於ECM內部的數位麥克風之IC元件示意圖》

在任何積分三角A/D轉換器中，該超取樣位元流均存在並形成數位濾波器的輸入。讓此種訊號存在於ECM的輸出中具有以下好處：

《圖三　數位ECM截面圖》

應用

該數位麥克風可應用於許多音響。而其設計和生產此種ECM與一般的JFET ECM並無實質區別，以下是兩種可從本技術中受益的應用：

數位行動通訊裝置

數位行動通訊裝置從此種ECM獲益之處在於介面的抗干擾性。現今的音響輸入承受低類比電位，需要下大功夫設計外部濾波元件。存在大型抗干擾訊號消除濾波需要，並在基頻ASIC和RF部分方面使麥克風的設置變得容易。

在基頻IC內部消除ADC為將來全數位基頻處理器鋪路，該處理器可利用高效能數位技術，但該技術對敏感的類比訊號處理並不適用。現今已出現利用更高效率驅動（如D類）的趨勢，其將從一個全數位基頻IC中提取數位編碼訊號。當採用需要較少濾波的D類驅動時，濾波元件擇其一選擇。採用D類音響驅動一系統的元件示意圖，如(圖四)顯示。 圖四中英文名詞對照表，如(表三)所示。

《圖四　一全數位元音響系統元件示意圖》

TMS320VC5510是NSC麥克風技術與現今移動通訊DSP系統配合的應用例子，其構造與一DSP單元有關聯性。數位麥克風通過兩個通用I/O埠與DSP通信，一條線連接時鐘訊號，一條連接資料訊號。顯示該應用的測試結果，如(圖五)所示﹔圖五中英文名詞對照表，如(表四)所示。

《圖五　一數位麥克風在輸入聲道1kHz時之輸出頻譜》

數位消費性電子產品

在低成本消費性電子設備中，數位麥克風可直接與一個微處理器介面配合，從而形成一個系統，僅使用一個數位IC，讀取麥克風的數位位元流，並直接發送諸如脈衝密度調製訊號（PDM）給揚聲器，如圖四所示。根據所需的音響訊號質量，此過程可無須濾波元件。採用的微處理器能取得一個單位元流作為輸入，並發出一個PDM訊號，這可使系統的體積縮小，並且只需使用很少的元件。

結論

一ECM中代替JFET的單晶片，其解?方案可以實現高成本效益，並能大量生?麥克風。數位音響系統中不同元件的分區方式使得ECM具有數量最少的插腳，並可通過整合類比和數位功能的處理技術優化使用。使用靈活度得以維護，並通過在麥克風外部消除敏感的類比訊號提高總體抗干擾性。

（作者任職於美國國家半導體放大器產品部）

參考文獻：類比、預放大麥克風IC

美國國家半導體，LMV1012?品資料表，http://www.national.com/pf/LM/LMV1012.html

美國國家半導體，LMV1014?品資料表，http://www.national.com/pf/LM/LMV1014.html

採用類比預放大器的電容式麥克風

Best Sound（BSE）電子：內置式增益（BIG）ECM 產品資料表OBBG-0615S和OBBG-0622S

Best Sound（BSE）電子：內置式增益（BIG）ECM 產品資料表UBCG-0618L、 UBCG-0622L 和 UBCG-0636

數位麥克風技術

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

數位揚聲器驅動器

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