如何設(shè)計(jì)小型化超薄高信噪比駐極體麥克風(fēng)(ECM)

目前市場對Φ4mm以下，厚度1.5mm以下的麥克風(fēng)產(chǎn)品需求逐漸增加。在器件小型化需求的同時(shí)，對靈敏度和信噪比的要求卻有所提高。這對于麥克風(fēng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來了較大的影響，需要對ECM的各方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)。

ECM信噪比由兩個(gè)方面構(gòu)成，靈敏度(對應(yīng)信號大小)和輸出噪聲(對應(yīng)于噪聲大小)。靈敏度由聲學(xué)靈敏度和電路增益兩個(gè)方面構(gòu)成。其中聲學(xué)靈敏度與ECM的振膜面積、振膜張力、極板間距、極化電位、背聲腔體積相關(guān)；電路增益與引出線寄生電容、放大器增益、放大器寄生電容等方面相關(guān)。輸出噪聲主要也是由聲學(xué)噪聲和電學(xué)噪聲兩個(gè)方面構(gòu)成：聲學(xué)噪聲與極板間距、極板張力、極板面積和背聲腔體積相關(guān)；電學(xué)噪聲與放大器增益和放大器噪聲相關(guān)。

本文將主要從聲學(xué)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)兩個(gè)方面探討對于ECM信噪比的影響；并給出了具體的設(shè)計(jì)實(shí)例。

影響ECM信噪比的聲學(xué)設(shè)計(jì)

在麥克風(fēng)設(shè)計(jì)中，與聲學(xué)特性相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)包括振膜面積、振膜張力、極板間距、極化電位、背聲腔體積等方面。其中，在特定的麥克風(fēng)目標(biāo)產(chǎn)品中，當(dāng)墊片寬度一定時(shí)，振膜面積基本是固定的；另外，對于高度一定的產(chǎn)品，其背腔聲學(xué)體積也基本固定。這樣在ECM設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品的優(yōu)化調(diào)節(jié)只能主要從振膜張力、墊片厚度(極板間距)、極化電位選擇等方面進(jìn)行。

在麥克風(fēng)設(shè)計(jì)中，振膜張力、墊片厚度、極化電位這幾個(gè)參數(shù)相互影響，并相互制約。為了得到最優(yōu)的麥克風(fēng)設(shè)計(jì)，需要在它們的選擇范圍中做出適當(dāng)?shù)恼壑?。為此，首先需要清楚理解各參?shù)之間的相互關(guān)系。

圖一給出了在保證振膜不吸合條件下，振膜最大極化電位和極板間距的關(guān)系。理想狀態(tài)下，極板的吸合電壓(振膜與背極板間電位差)和極板間距的1.5次方成正比。為保證在加工過程以及具體應(yīng)用中振膜不發(fā)生吸合，需要保證膜片上所出現(xiàn)的最大電位小于2/3吸合電壓。在老化后，極化電位將進(jìn)一步下降，并趨于穩(wěn)定。

圖一 極板間距對麥克風(fēng)最大極化電位的影響

圖二給出了背聲腔體積對于麥克風(fēng)噪聲的影響示意圖。在小型化麥克風(fēng)中，一般情況下，當(dāng)背聲腔較大時(shí)(例如4015麥克風(fēng))，聲學(xué)噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電路噪聲。因此聲學(xué)噪聲在輸出噪聲中僅占極小部分，主要輸出噪聲由電路噪聲主導(dǎo)。但隨著麥克風(fēng)越來越薄，背聲腔體積迅速減小，聲學(xué)噪聲在麥克風(fēng)輸出噪聲中的比重也迅速增加。例如在典型的3013麥克風(fēng)中，背聲腔體積僅為4015麥克風(fēng)的1/6到1/4。

圖二 背聲腔體積對麥克風(fēng)噪聲的影響

圖三給出了振膜張力對于諧振頻率和靈敏度關(guān)系示意圖。一般而言，諧振頻率與振膜面積成反比，與振膜張力的開方成正比。而靈敏度則與振膜張力成反比。同時(shí)，當(dāng)振膜張力增加時(shí)，最大極化電位也隨之增加。

圖三 振膜張力對諧振頻率和麥克風(fēng)靈敏度的影響

圖四給出了極板間距對于靈敏度與諧波失真的影響關(guān)系。當(dāng)麥克風(fēng)的極化電位相同時(shí)，靈敏度與極板間距成反比。但當(dāng)極板間距減小時(shí)，由于電容與聲壓的非線性關(guān)系而引入的二次諧波迅速上升，從而導(dǎo)致諧波失真特性惡化。

圖四 振膜張力對諧振頻率和麥克風(fēng)靈敏度的影響

圖五給出了假設(shè)極化電位和振膜張力一定時(shí)和麥克風(fēng)極板間距的優(yōu)選范圍。從圖中可以看出，假設(shè)極化電位振膜張力一定，那么以最大信噪比為優(yōu)化目標(biāo)的極板間距最優(yōu)設(shè)計(jì)值，隨麥克風(fēng)尺寸的減小而減小。而如果假設(shè)極化電位和極板間距不變，那么以最大信噪比為優(yōu)化目標(biāo)的振膜張力的最優(yōu)設(shè)計(jì)值，會隨麥克風(fēng)尺寸的減小而增加。

圖五 假設(shè)極化電位和振膜張力一定時(shí)和麥克風(fēng)極板間距的優(yōu)選范圍

由于麥克風(fēng)的各種聲學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)之間相互影響，并且同時(shí)受限于麥克風(fēng)的尺寸、振膜材料、可靠性、成本、量產(chǎn)良品率等各個(gè)方面，因此在實(shí)際工程生產(chǎn)中，要得到一個(gè)優(yōu)化的設(shè)計(jì)需要大量的工程實(shí)踐以及一定的理論指導(dǎo)。而對于特定產(chǎn)品而言，其聲學(xué)參數(shù)的可能變化范圍非常有限。因此，在現(xiàn)代駐極體麥克風(fēng)的設(shè)計(jì)中，很多時(shí)候會通過更好的電學(xué)設(shè)計(jì)來得到更大的聲學(xué)優(yōu)化范圍，從而得到更好的產(chǎn)品性能。

影響ECM信噪比的電學(xué)設(shè)計(jì)

ECM的等效電路

圖六 麥克風(fēng)內(nèi)部的電路等效和外部的接口電路

圖六給出了麥克風(fēng)內(nèi)部的電路等效圖以及由輸出負(fù)載電阻RL和輸出耦合電容Co構(gòu)成的麥克風(fēng)外部的接口電路。

藍(lán)色部分標(biāo)出與麥克風(fēng)聲學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān)的電學(xué)參數(shù)。其中，Ve為麥克風(fēng)極化電位，也即麥克風(fēng)通過極化和老化工序后，振膜與背極之間的電位差。振膜電容為振膜與背極板之間的電容。結(jié)構(gòu)寄生電容Cps是指在麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)中，由于背極板、銅環(huán)、pcb引線等與放大器輸入引腳相連的導(dǎo)體部分對地(管殼)的寄生電容之和。

淺灰色部分標(biāo)出了與麥克風(fēng)接口放大器(例如JFET)相關(guān)的電學(xué)參數(shù)。其中Cpa為放大器的輸入電容；Cc為米勒寄生電容，它由兩部分寄生電容之和構(gòu)成：放大器輸入和輸出引腳間的寄生電容，以及麥克風(fēng)中和放大器輸入引腳相連的導(dǎo)體部分與麥克風(fēng)輸出引腳上導(dǎo)體部分的計(jì)生電容；Gm為放大器的等價(jià)跨導(dǎo)。

在麥克風(fēng)內(nèi)部，往往還會并聯(lián)兩個(gè)分別為10pF和33pF的射頻去藕電容，這樣可以在手機(jī)等終端中得到較好射頻干擾抑制特性。

ECM中寄生電容的影響

在一般的麥克風(fēng)設(shè)計(jì)中，米勒寄生電容Cc較小，此時(shí)放大器的輸入寄生電容和結(jié)構(gòu)寄生電容對麥克風(fēng)靈敏度有較大的影響。假設(shè)ECM輸入的聲壓信號使得振膜產(chǎn)生位移，并導(dǎo)致振膜和背極板之間電容量變化了 ，那么在放大器輸入引腳上的電壓信號的rms幅度Vin為：

圖七 寄生電容對麥克風(fēng)靈敏度的影響

在典型的4015麥克風(fēng)中，放大器的輸入寄生電容Cpa約為3.5pF左右(TF202)，此時(shí)Cpa對于靈敏度的影響不大；但是當(dāng)麥克風(fēng)尺寸縮小至3015時(shí)，由于Cm和Cps的減小，Cpa將會額外導(dǎo)致3~4dB的靈敏度下降，因此在3015麥克風(fēng)中，TF202的實(shí)際電壓增益將從-2dB降低到-6dB左右，導(dǎo)致麥克風(fēng)靈敏度和信噪比的惡化；當(dāng)麥克風(fēng)尺寸進(jìn)一步縮小至2.5mm時(shí)，Cpa將會導(dǎo)致6~8dB的靈敏度惡化，從而完全無法使用。

即使選擇了較小輸入電容Cpa的麥克風(fēng)放大器，例如北京卓銳微技術(shù)有限公司提供的ACT503D駐極體麥克風(fēng)放大器，其Cpa約為0.1pF，在麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基板設(shè)計(jì)中仍然需要仔細(xì)考慮，才能更加充分的利用該放大器的優(yōu)秀特性。例如在使用銅環(huán)接觸的4011麥克風(fēng)中，假設(shè)Cm為4pF，Cps為2.2pF，采用TF252時(shí)，Cpa為3.1pF，當(dāng)從TF252轉(zhuǎn)換為使用ACT503D時(shí)，雖然電路的寄生電容引入的信號衰減改善20*log10((4+2.2+3.1)/(4+2.2+0.1))，約3dB左右。但是如果進(jìn)一步將銅環(huán)接觸改為銅絲點(diǎn)接觸并優(yōu)化基板設(shè)計(jì)，減小Cps至1pF，那么還可以再增加靈敏度2dB左右，由于ACT503D的直流增益為6dB，因此最終制成的麥克風(fēng)靈敏度比使用TF252要高出將近10dB，這樣就很容易實(shí)現(xiàn)高靈敏度的薄型麥克風(fēng)產(chǎn)品。

在小型化麥克風(fēng)中，由于背聲腔體積小，振膜面積也較小，因此其聲學(xué)靈敏度較低，需要使用較高增益的麥克風(fēng)放大器來得到合適的麥克風(fēng)靈敏度。在這樣的麥克風(fēng)中，米勒電容的影響將會明顯出現(xiàn)，導(dǎo)致放大器的增益衰減。由于米勒電容與JFET的Crss相關(guān)，典型JFET的Crss在0.7pF~1.1pF左右，因此在小型化麥克風(fēng)中，高增益JFET的使用受到極大限制。同樣的，RS908/RS916在小麥克風(fēng)應(yīng)用中，其實(shí)際放大倍數(shù)會急劇降低。卓銳微技術(shù)提供的ACT503D由于是采用幽靈電流輸出方式，其等價(jià)Crss小于0.05pF，因此在高增益電壓放大中有較大的優(yōu)勢。

實(shí)際麥克風(fēng)試裝數(shù)據(jù)

圖八中給出了使用北京卓銳微技術(shù)有限公司提供的ACT503D的一款超薄型4mm麥克風(fēng)產(chǎn)品的投產(chǎn)靈敏度分布圖。從圖中可知，40+-2dB范圍內(nèi)的良品率達(dá)到88%以上。表一種給出了典型的信噪比測試結(jié)果。

ACT503D在4mm超薄麥克風(fēng)中的靈敏度分布

表一 ACT503D在4mm超薄麥克風(fēng)中的信噪比

圖九中給出了使用ACT503D的一款3mm麥克風(fēng)產(chǎn)品的投產(chǎn)靈敏度分布圖。從圖中可知，-42+-2dB范圍內(nèi)的良品率達(dá)到80%以上。表二給出了典型的信噪比測試結(jié)果。

圖九 ACT503D在3mm超薄麥克風(fēng)中的靈敏度分布

表二 ACT503D在3mm麥克風(fēng)中的靈敏度和信噪比