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(chǎng)對(duì)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(duì)靈敏度和信噪比的要求卻有所提高。這對(duì)于麥克風(fēng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來(lái)了較大的影響，需要對(duì)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(duì)應(yīng)信號(hào)大小)和輸出噪聲(對(duì)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(duì)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(duì)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)恼壑小榇?，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(guò)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(duì)麥克風(fēng)最大極化電位的影響

圖二給出了背聲腔體積對(duì)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(lái)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(duì)麥克風(fēng)噪聲的影響

圖三給出了振膜張力對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(huì)通過(guò)更好的電學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)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。