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小型化超薄高信噪比驻极体麦克风(ECM)设计 |
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newmaker 来源：电子工程专辑 |
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目前市场对Φ4mm以下，厚度1.5mm以下的麦克风产品需求逐渐增加。在器件小型化需求的同时，对灵敏度和信噪比的要求却有所提高。这对于麦克风的设计和生产带来了较大的影响，需要对ECM的各方面进行优化设计才能实现。
ECM信噪比由两个方面构成，灵敏度(对应信号大小)和输出噪声(对应于噪声大小)。灵敏度由声学灵敏度和电路增益两个方面构成。其中声学灵敏度与ECM的振膜面积、振膜张力、极板间距、极化电位、背声腔体积相关；电路增益与引出线寄生电容、放大器增益、放大器寄生电容等方面相关。输出噪声主要也是由声学噪声和电学噪声两个方面构成：声学噪声与极板间距、极板张力、极板面积和背声腔体积相关；电学噪声与放大器增益和放大器噪声相关。
本文将主要从声学设计和电路设计两个方面探讨对于ECM信噪比的影响；并给出了具体的设计实例。
影响ECM信噪比的声学设计
在麦克风设计中，与声学特性相关的设计参数包括振膜面积、振膜张力、极板间距、极化电位、背声腔体积等方面。其中，在特定的麦克风目标产品中，当垫片宽度一定时，振膜面积基本是固定的；另外，对于高度一定的产品，其背腔声学体积也基本固定。这样在ECM设计中，产品的优化调节只能主要从振膜张力、垫片厚度(极板间距)、极化电位选择等方面进行。
在麦克风设计中，振膜张力、垫片厚度、极化电位这几个参数相互影响，并相互制约。为了得到最优的麦克风设计，需要在它们的选择范围中做出适当的折中。为此，首先需要清楚理解各参数之间的相互关系。
图一给出了在保证振膜不吸合条件下，振膜最大极化电位和极板间距的关系。理想状态下，极板的吸合电压(振膜与背极板间电位差)和极板间距的1.5次方成正比。为保证在加工过程以及具体应用中振膜不发生吸合，需要保证膜片上所出现的最大电位小于2/3吸合电压。在老化后，极化电位将进一步下降，并趋于稳定。
图一 极板间距对麦克风最大极化电位的影响
图二给出了背声腔体积对于麦克风噪声的影响示意图。在小型化麦克风中，一般情况下，当背声腔较大时(例如4015麦克风)，声学噪声远远小于电路噪声。因此声学噪声在输出噪声中仅占极小部分，主要输出噪声由电路噪声主导。但随着麦克风越来越薄，背声腔体积迅速减小，声学噪声在麦克风输出噪声中的比重也迅速增加。例如在典型的3013麦克风中，背声腔体积仅为4015麦克风的1/6到1/4。
图二 背声腔体积对麦克风噪声的影响
图三给出了振膜张力对于谐振频率和灵敏度关系示意图。一般而言，谐振频率与振膜面积成反比，与振膜张力的开方成正比。而灵敏度则与振膜张力成反比。同时，当振膜张力增加时，最大极化电位也随之增加。
图三 振膜张力对谐振频率和麦克风灵敏度的影响
图四给出了极板间距对于灵敏度与谐波失真的影响关系。当麦克风的极化电位相同时，灵敏度与极板间距成反比。但当极板间距减小时，由于电容与声压的非线性关系而引入的二次谐波迅速上升，从而导致谐波失真特性恶化。
图四 振膜张力对谐振频率和麦克风灵敏度的影响
图五给出了假设极化电位和振膜张力一定时和麦克风极板间距的优选范围。从图中可以看出，假设极化电位振膜张力一定，那么以最大信噪比为优化目标的极板间距最优设计值，随麦克风尺寸的减小而减小。而如果假设极化电位和极板间距不变，那么以最大信噪比为优化目标的振膜张力的最优设计值，会随麦克风尺寸的减小而增加。
图五 假设极化电位和振膜张力一定时和麦克风极板间距的优选范围
由于麦克风的各种声学设计参数之间相互影响，并且同时受限于麦克风的尺寸、振膜材料、可靠性、成本、量产良品率等各个方面，因此在实际工程生产中，要得到一个优化的设计需要大量的工程实践以及一定的理论指导。而对于特定产品而言，其声学参数的可能变化范围非常有限。因此，在现代驻极体麦克风的设计中，很多时候会通过更好的电学设计来得到更大的声学优化范围，从而得到更好的产品性能。
影响ECM信噪比的电学设计
ECM的等效电路
图六 麦克风内部的电路等效和外部的接口电路
图六给出了麦克风内部的电路等效图以及由输出负载电阻RL和输出耦合电容Co构成的麦克风外部的接口电路。
蓝色部分标出与麦克风声学设计相关的电学参数。其中，Ve为麦克风极化电位，也即麦克风通过极化和老化工序后，振膜与背极之间的电位差。振膜电容为振膜与背极板之间的电容。结构寄生电容Cps是指在麦克风的结构中，由于背极板、铜环、pcb引线等与放大器输入引脚相连的导体部分对地(管壳)的寄生电容之和。
浅灰色部分标出了与麦克风接口放大器(例如JFET)相关的电学参数。其中Cpa为放大器的输入电容；Cc为米勒寄生电容，它由两部分寄生电容之和构成：放大器输入和输出引脚间的寄生电容，以及麦克风中和放大器输入引脚相连的导体部分与麦克风输出引脚上导体部分的计生电容；Gm为放大器的等价跨导。
在麦克风内部，往往还会并联两个分别为10pF和33pF的射频去藕电容，这样可以在手机等终端中得到较好射频干扰抑制特性。
ECM中寄生电容的影响
在一般的麦克风设计中，米勒寄生电容Cc较小，此时放大器的输入寄生电容和结构寄生电容对麦克风灵敏度有较大的影响。假设ECM输入的声压信号使得振膜产生位移，并导致振膜和背极板之间电容量变化了 ，那么在放大器输入引脚上的电压信号的rms幅度Vin为：
图七 寄生电容对麦克风灵敏度的影响
在典型的4015麦克风中，放大器的输入寄生电容Cpa约为3.5pF左右(TF202)，此时Cpa对于灵敏度的影响不大；但是当麦克风尺寸缩小至3015时，由于Cm和Cps的减小，Cpa将会额外导致3~4dB的灵敏度下降，因此在3015麦克风中，TF202的实际电压增益将从-2dB降低到-6dB左右，导致麦克风灵敏度和信噪比的恶化；当麦克风尺寸进一步缩小至2.5mm时，Cpa将会导致6~8dB的灵敏度恶化，从而完全无法使用。
即使选择了较小输入电容Cpa的麦克风放大器，例如北京卓锐微技术有限公司提供的ACT503D驻极体麦克风放大器，其Cpa约为0.1pF，在麦克风的结构设计和基板设计中仍然需要仔细考虑，才能更加充分的利用该放大器的优秀特性。例如在使用铜环接触的4011麦克风中，假设Cm为4pF，Cps为2.2pF，采用TF252时，Cpa为3.1pF，当从TF252转换为使用ACT503D时，虽然电路的寄生电容引入的信号衰减改善20*log10((4+2.2+3.1)/(4+2.2+0.1))，约3dB左右。但是如果进一步将铜环接触改为铜丝点接触并优化基板设计，减小Cps至1pF，那么还可以再增加灵敏度2dB左右，由于ACT503D的直流增益为6dB，因此最终制成的麦克风灵敏度比使用TF252要高出将近10dB，这样就很容易实现高灵敏度的薄型麦克风产品。
在小型化麦克风中，由于背声腔体积小，振膜面积也较小，因此其声学灵敏度较低，需要使用较高增益的麦克风放大器来得到合适的麦克风灵敏度。在这样的麦克风中，米勒电容的影响将会明显出现，导致放大器的增益衰减。由于米勒电容与JFET的Crss相关，典型JFET的Crss在0.7pF~1.1pF左右，因此在小型化麦克风中，高增益JFET的使用受到极大限制。同样的，RS908/RS916在小麦克风应用中，其实际放大倍数会急剧降低。卓锐微技术提供的ACT503D由于是采用幽灵电流输出方式，其等价Crss小于0.05pF，因此在高增益电压放大中有较大的优势。
实际麦克风试装数据
图八中给出了使用北京卓锐微技术有限公司提供的ACT503D的一款超薄型4mm麦克风产品的投产灵敏度分布图。从图中可知，40+-2dB范围内的良品率达到88%以上。表一种给出了典型的信噪比测试结果。
ACT503D在4mm超薄麦克风中的灵敏度分布
表一 ACT503D在4mm超薄麦克风中的信噪比
 图九中给出了使用ACT503D的一款3mm麦克风产品的投产灵敏度分布图。从图中可知，-42+-2dB范围内的良品率达到80%以上。表二给出了典型的信噪比测试结果。
图九 ACT503D在3mm超薄麦克风中的灵敏度分布
表二 ACT503D在3mm麦克风中的灵敏度和信噪比
 (end)
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(2/8/2010) |
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