如何設計小型化超薄高信噪比駐極體麥克風(ECM)

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

ECM信噪比由兩個方面構(gòu)成，靈敏度(對應信號大小)和輸出噪聲(對應于噪聲大小)。靈敏度由聲學靈敏度和電路增益兩個方面構(gòu)成。其中聲學靈敏度與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；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。輸出噪聲主要也是由聲學噪聲和電學噪聲兩個方面構(gòu)成：聲學噪聲與極板間距、極板張力、極板面積和背聲腔體積相關；電學噪聲與放大器增益和放大器噪聲相關。

本文將主要從聲學設計和電路設計兩個方面探討對于ECM信噪比的影響；并給出了具體的設計實例。

影響ECM信噪比的聲學設計

在麥克風設計中，與聲學特性相關的設計參數(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，在特定的麥克風目標產(chǎn)品中，當墊片寬度一定時，振膜面積基本是固定的；另外，對于高度一定的產(chǎn)品，其背腔聲學體積也基本固定。這樣在ECM設計中，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行。

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

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，極化電位將進一步下降，并趨于穩(wěn)定。

圖一 極板間距對麥克風最大極化電位的影響

圖二給出了背聲腔體積對于麥克風噪聲的影響示意圖。在小型化麥克風中，一般情況下，當背聲腔較大時(例如4015麥克風)，聲學噪聲遠遠小于電路噪聲。因此聲學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。但隨著麥克風越來越薄，背聲腔體積迅速減小，聲學噪聲在麥克風輸出噪聲中的比重也迅速增加。例如在典型的3013麥克風中，背聲腔體積僅為4015麥克風的1/6到1/4。

圖二 背聲腔體積對麥克風噪聲的影響

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，當振膜張力增加時，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系。當麥克風的極化電位相同時，靈敏度與極板間距成反比。但當極板間距減小時，由于電容與聲壓的非線性關系而引入的二次諧波迅速上升，從而導致諧波失真特性惡化。

圖四 振膜張力對諧振頻率和麥克風靈敏度的影響

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

圖五 假設極化電位和振膜張力一定時和麥克風極板間距的優(yōu)選范圍

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

影響ECM信噪比的電學設計

ECM的等效電路

圖六 麥克風內(nèi)部的電路等效和外部的接口電路

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