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  • 正文
    • 1. ECM 原理
    • 2. ECM 參數(shù)規(guī)格
    • 3. ECM 電路參數(shù)設(shè)計(jì)
    • 4. ECM 電路 Layout 注意點(diǎn)
  • 相關(guān)推薦
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駐極體麥克風(fēng)(ECM)電路設(shè)計(jì)總結(jié)

2020/09/16
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1. ECM 原理

ECM 是指駐極體電容式麥克風(fēng),與 MEMS 硅麥不同,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。MIC 內(nèi)部有一個(gè)充有一定電荷的膜片電容,電容其中一個(gè)極板與 FET 連接,由于 FET 的基極輸入阻抗很高,可以認(rèn)為電容的電荷不會(huì)消失。膜片隨著外部聲壓振動(dòng),使得電容兩個(gè)極板之間距離發(fā)生變化,從而導(dǎo)致電容發(fā)生變化,從電容公式可以知道,電荷一定的情況下,當(dāng)電容值發(fā)生改變時(shí),電壓也會(huì)發(fā)生變化,即 FET 的 GS 電壓改變導(dǎo)致 DS 電流發(fā)生變化,電流的變化導(dǎo)致外部偏置電阻上的電壓發(fā)生變化,從而使得 MIC 輸出端 DS 電壓發(fā)生變化,其電壓變化量和偏置電阻的電壓變化量相等。

圖 1

上述的工作原理其實(shí)就是三極管(或 MOSFET)的放大用法,在實(shí)際工作中,我們使用三極管(或 MOSFET)多數(shù)是開關(guān)作用居多,我在之前的一篇文章《三極管放大區(qū)靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置》,就簡(jiǎn)單講述過(guò)三極管放大區(qū)的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置方法,其本質(zhì)與 MIC 內(nèi)部 FET 的工作原理相同,使 FET 工作于飽和區(qū)(對(duì)應(yīng)三極管的線性放大區(qū))。

2. ECM 參數(shù)規(guī)格

根據(jù)上述參考文章的講解,要想 MIC 輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍最大,需要合適的偏置電阻將正極+輸出電壓設(shè)置在 Vs 的一半。根據(jù) MIC 規(guī)格書中的電氣參數(shù)可知(圖 2),靜態(tài)電流為 500uA,因此 RL=(Vs-V+)/Idss=(2-1)V/500uA=2K,實(shí)際選擇了 2.2K,相差不大。這也是多數(shù) MIC 推薦的工作條件:2V 偏置電壓、2.2K 偏置電阻。在此條件下,可以計(jì)算得出 MIC 兩端的靜態(tài)電壓 Vbias=2-2.2K*500uA=0.9V。

圖 2

設(shè)定好偏置電阻后,我們需要確定 MIC 輸出的交流電壓,因?yàn)檎嬲杏玫穆曇粜畔诮涣麟妷盒盘?hào)中。根據(jù)模電 MOSFET 交流等效模型可得,MIC 的交流等效電路如圖 3 所示。由于 FET 的 rgs 很大,所以膜片電容上的電荷基本不會(huì)放電消失;由于 rd 相對(duì) RL 很大,并聯(lián)之后可以忽略 rd,因此 MIC 的交流輸出電壓 V=gmVgs*RL,由此可知,要想獲得較大的有效交流輸出信號(hào),可以增大偏置電阻 RL。增大偏置電阻,雖然會(huì)使動(dòng)態(tài)范圍變小,但由于 MIC 最大的峰峰值輸出電壓也不會(huì)很大(詳見下文),所以除非偏置電阻設(shè)置過(guò)大不合理,一般情況也不會(huì)導(dǎo)致輸出波形失真。

圖 3

另外,從電氣參數(shù)中可知該 MIC 的靈敏度為 -38dB,輸入的最大聲壓級(jí)為 110dB SPL。從這兩個(gè)參數(shù)我們可以得到 MIC 輸出的最大有效電壓值。首先,MIC 的靈敏度定義為:在單位聲壓激勵(lì)下輸出電壓與輸入聲壓的比值,即,給 MIC 1Pa(94dB SPL 聲壓級(jí))的聲壓時(shí),麥克風(fēng)輸出的電壓(dBV),

可得該 MIC 的靈敏度。

聲壓級(jí)以符號(hào) SPL 表示,其定義為將待測(cè)聲壓有效值 P(e)與參考聲壓 P(ref)的比值,

Pr=2*10E-5Pa,
可得該 MIC 的最大聲壓

因此該 MIC 的最大輸出有效電壓值為 6.32*12.59mV=79.6mV(rms),對(duì)應(yīng)的最大峰值為 79.6*1.414=112mV。因此,MIC 兩端電壓為:Vbias=0.9V;Vac=±0.112V。由此可知,有效電壓相對(duì)較小,所以上述的增大偏置電阻犧牲一部分動(dòng)態(tài)范圍,以獲得較大的輸出電壓是可行的。

3. ECM 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

ECM 典型的應(yīng)用電路是差分接法,如圖 4 所示,其交流等效電路如圖所示。電阻 R3、R6 和電容 C3 構(gòu)成 RC 低通濾波,給電源 MICBIAS 濾波。電阻 R4 和 R5 是 MIC 的偏置電阻,根據(jù)交流等效電路(圖 5)可知,R4+R5=RL=2.2K,得 R4=R5=1.1K。假設(shè) Vbias=2.4V,為了使圖中紅圈處點(diǎn)電壓等于 MIC 推薦的工作電壓 2V,則電阻 R(=R3+R6)上的壓降=2.4-2=0.4V,則 R=0.4/500uA=800R,因此,R3=R6=400R,取常用值 390R。這是理論計(jì)算值,但是很多情況下,為了獲得較大的有效交流輸出電壓,會(huì)選擇較大的偏置電阻,這可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行權(quán)衡。

假設(shè)電阻 R3、R6 和電容 C3 組成的 RC 低通濾波截止頻率為 10Hz,則 1/(2πRC)=10,得到 C3=C=20uF,取常用值 22uF。C3 可以等效成 2 個(gè)電容分別與地相連,即 2 個(gè)電容串聯(lián),每個(gè)電容值為 2C=44uF(電容串聯(lián),電容值減小一半)。C6 用于濾除差模干擾,一般取值 220pF,C4 和 C5 濾除共模干擾,一般取 33pF。

電阻 R1、R2,Codec 芯片引腳的輸入阻抗 Rc,和隔直電容 C1、C2 組成高通濾波器。一般情況下芯片引腳的輸入阻抗都比較大,R1 和 R2 就可以忽略,所以很多設(shè)計(jì)都可以不用電阻 R1 和 R2。

圖 4

圖 5

ECM 還有另外一種差分接法,如圖 6 所示,參數(shù)計(jì)算方法相同。其交流輸出和上一種接法相同,但是這種接法有一個(gè)好處,就是 MIC 輸入到 Codec 的靜態(tài)電壓不會(huì)因?yàn)?Vbias 電壓波動(dòng)而受影響,其靜態(tài)電壓為電阻 R4 的壓降,而 MIC 的靜態(tài)電流可以認(rèn)為基本不變,因此 R4 的靜態(tài)壓降也不變。而上一種接法當(dāng) Vbias 變化時(shí),MIC 兩端的靜態(tài)電壓會(huì)因?yàn)橥獠侩娮璧膲航刀l(fā)生變化,使 Codec 誤認(rèn)為有 MIC 有交流輸出,形成噪聲。

圖 6

從上述分析也可以看出,無(wú)論何種差分接法,都不算真正的差分,因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1651212.html">差分信號(hào)的共模電壓是相同的,而上述的差分接法,P 和 N 的共模電壓是不同的。正因此,Vbias 的波動(dòng)會(huì)使得共模電壓變化轉(zhuǎn)變成差模電壓,形成噪聲。

MIC 除了差分接法外,網(wǎng)絡(luò)上還能查到一種叫偽差分的接法,如圖 7 所示。區(qū)別在于 MIC 一端接地,差分對(duì)中的一個(gè)信號(hào)外接電阻到地,該電阻需要和 MIC 的輸出阻抗匹配。本人沒有使用過(guò)該電路,所以不知實(shí)際效果如何,也不做過(guò)多介紹。

圖 7

MIC 除了差分接法外,常見的還有單端接法,就是文章開頭所述的原理部分,不再贅述。

4. ECM 電路 Layout 注意點(diǎn)

以實(shí)際應(yīng)用過(guò)差分接法電路為例(圖 8),除了 C156、C157 和 C153 要靠近芯片引腳放置之外,其他阻容最好都靠近 MIC 位置放置。在有些資料中會(huì)提到,MICBIAS 相關(guān)的阻容應(yīng)該靠近芯片放置,但是個(gè)人覺得這部分阻容也應(yīng)該靠近 MIC 放置,因?yàn)?MICBIAS 電壓是用于給 MIC 供電工作的,同時(shí)在芯片 MICBIAS 引腳位置也放置一個(gè)濾波電容 C153。差分接法要注意布線按照差分規(guī)則進(jìn)行。另外,需要注意的一個(gè)點(diǎn)就是音頻部分的地和系統(tǒng)地最好分開,以免受到干擾。

圖 8

本文就到這里,畢竟本人非音頻專業(yè)人員,僅僅針對(duì)過(guò)往項(xiàng)目做了一個(gè)簡(jiǎn)單總結(jié),其中的謬誤或者不足,有高手看到請(qǐng)不吝賜教。

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電子產(chǎn)業(yè)圖譜

公眾號(hào)“硬核電子”主筆,硬件工程師,從事過(guò)通訊行業(yè)、醫(yī)療器械、消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)品的硬件開發(fā)相關(guān)工作,也會(huì)寫一些簡(jiǎn)單的固件,有記錄工作筆記和讀書心得的習(xí)慣,力求原創(chuàng),喜歡分享,從而獲得共同的成長(zhǎng)和進(jìn)步。