MIC輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍最大有多少

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》，就簡單講述過三極管放大區(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)的聲壓時(shí)，麥克風(fēng)輸出的電壓(dBV)，

，

可得該MIC的靈敏度

。聲壓級以符號(hào)SPL表示，其定義為將待測聲壓有效值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5ECM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)閂bias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，無論何種差分接法，都不算真正的差分，因?yàn)椴罘中盘?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。

4. ECM電路Layout注意點(diǎn)

以實(shí)際應(yīng)用過差分接法電路為例(圖7)，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)镸ICBIAS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7本文就到這里，畢竟本人非音頻專業(yè)人員，僅僅針對過往項(xiàng)目做了一個(gè)簡單總結(jié)，其中的謬誤或者不足，有高手看到請不吝賜教。