麥克風(fēng)工作原理是什么?
一切都在不知不覺之間悄悄地改變著。就連麥克風(fēng)這樣一個不起眼的小零件,也正在悄無聲息地演化著。近幾年來,在手機(jī)等高端應(yīng)用中,傳統(tǒng)的駐極體電容麥克風(fēng)正在被MEMS器件所取代。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201610/306843.htm麥克風(fēng) ,學(xué)名為傳聲器,由Microphone翻譯而來。傳聲器是將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器件,也稱作話筒或微音器。
麥克風(fēng)的歷史可以追溯到19世紀(jì)末,貝爾(Alexander Graham Bell)等科學(xué)家致力于尋找更好的拾取聲音的辦法,以用于改進(jìn)當(dāng)時的最新發(fā)明——電話。期間他們發(fā)明了液體麥克風(fēng)和碳粒麥克風(fēng),這些麥克風(fēng)效果并不理想,只是勉強(qiáng)能夠使用。
二十世紀(jì),麥克風(fēng)由最初通過電阻轉(zhuǎn)換聲電發(fā)展為電感、電容式轉(zhuǎn)換,大量新的麥克風(fēng)技術(shù)逐漸發(fā)展起來,這其中包括鋁帶、動圈等麥克風(fēng),以及當(dāng)前廣泛使用的電容麥克風(fēng)和駐極體麥克風(fēng)。
駐極體麥克風(fēng)
目前市場上銷售的麥克風(fēng)主要有動圈式、電容式、駐極體和最近新興的硅微傳聲器,此外還有液體傳聲器和激光傳聲器等。動圈傳聲器音質(zhì)較好,但體積龐大。駐極體傳聲器體積小巧,成本低廉,在電話、手機(jī)等設(shè)備中廣泛使用。 基于CMOS MEMS(Micro Electro Meganetic System,微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的硅麥克風(fēng)體積更小,特別適合高性價比的應(yīng)用。
噪音,麥克風(fēng)的難題
作為音頻信號輸入的麥克風(fēng),一直以來受噪聲問題的困擾。
麥克風(fēng)的噪音源來自若干個方面:偏置電壓波動引起的電子噪聲,F(xiàn)ET噪聲,板級噪聲,振膜的聲音自噪聲,以及被耦合到FET的高阻抗輸入的外部電磁(EM)場和射頻(RF)場。詳述如下:
(1)當(dāng)安置有ECM(Electret Condenser Microphone,駐極體電容麥克風(fēng))的系統(tǒng)靠近帶有功率控制的射頻發(fā)射器時(譬如手機(jī)),功率控制產(chǎn)生的RF信號的音頻成份可通過麥克風(fēng)解調(diào),并轉(zhuǎn)換為可聞于音頻路徑的聲音信號。
(2)ECM信號放大電路中由FET的高阻抗柵極來調(diào)校發(fā)射功率放大器的門限(在音頻頻段內(nèi)出現(xiàn))并放大信號。這種信號一旦進(jìn)入音頻頻段,是很難消除的。
(3)電源電壓波動也是音頻系統(tǒng)中最常見的噪音源。作為低敏感度的ECM,它的輸出是一個10mVrms數(shù)量級的很小的模擬信號。由于ECM沒有任何電源抑制能力,很小的電源電壓波動就將導(dǎo)致間歇性噪音。
(4)ECM還帶來了機(jī)械設(shè)計方面的挑戰(zhàn)。因為ECM不僅能夠檢測聲音信號,還能檢測出機(jī)械振動,并最終把振動轉(zhuǎn)換為低頻聲音信號,這樣,當(dāng)ECM被置于振動環(huán)境(比如安裝在電風(fēng)扇或大型喇叭附近的電路板上)時,振動將成為音頻系統(tǒng)的主要噪音源。
MEMS麥克風(fēng)的優(yōu)勢
MEMS麥克風(fēng)是利用硅薄膜來檢測聲壓的,MEMS麥克風(fēng)能夠在芯片上集成一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器,形成具有數(shù)字輸出的麥克風(fēng)。由于大多數(shù)便攜式應(yīng)用最終都會把麥克風(fēng)的模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號來處理,因此系統(tǒng)架構(gòu)可以設(shè)計成完全數(shù)字式的。這樣一來,就從電路板上去掉了很容易產(chǎn)生噪音的模擬信號,并簡化了總體設(shè)計。
貼片式封裝的MEMS麥克風(fēng)
與傳統(tǒng)的ECM麥克風(fēng)相比,MEMS麥克風(fēng)具有以下優(yōu)勢:
1、制作工藝具有很好的重復(fù)性和一致性,從而保證每顆硅麥克風(fēng)有相同的優(yōu)秀表現(xiàn)。
2、聲壓電平高,且芯片內(nèi)部一般有預(yù)放大電路,因此靈敏度很高。
3、頻響范圍寬:100~10KHZ
4、失真?。篢HD1%(at 1KHZ,500mV p-p)(Total Harmonic Distortion,總諧波失真)
5、振動敏感度低:1dB
6、優(yōu)異的抗EMI和RFI特性
7、電流消耗低:150µA
8、耐潮濕環(huán)境和溫度沖擊。
9、耐高溫,能夠使用波峰焊。
10、能夠經(jīng)受振動、跌落、撞擊等機(jī)械力和溫度沖擊。
MEMS麥克風(fēng)具有半導(dǎo)體產(chǎn)品的種種優(yōu)點,解決了ECM所無法解決的許多困難。其中最為重要的一個特性是,MEMS麥克風(fēng)容易實現(xiàn)數(shù)字化,從而削除了傳輸噪音。MEMS麥克風(fēng)用途廣泛,目前主要應(yīng)用在手機(jī)中,數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器和PDA、耳機(jī)和助聽器等領(lǐng)域也正在從ECM向MEMS過渡。
MEMS麥克風(fēng)市場潛力巨大。據(jù)Information Network的研究報告,MEMS麥克風(fēng)在2005年時只能取得5%的整體市場率,但到2008年,預(yù)計在30億支麥克風(fēng)市場中MEMS產(chǎn)品占據(jù)15%,復(fù)合成長率達(dá)240%。因此,世界上很多國家和地區(qū)都投入到新一輪競爭之中,美國Knowles Acoustics(樓氏聲學(xué))的MEMS麥克風(fēng)自2003年面世以來,已經(jīng)銷售了數(shù)億片,占據(jù)了全球MEMS麥克風(fēng)市場95%的份額。
樓氏聲學(xué)公司出品的SiSonic貼片式MEMS麥克風(fēng)
我國臺灣也有意急起直追,包括臺灣“工研院電子所”、美律、亞太優(yōu)勢、探微、日月光、菱生、矽品、天瀚等20余家揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)和其它電聲器件廠商,共同成立了“微電聲產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”,以整合上、中、下游廠商,建立從電聲器件設(shè)計、器件制作/代工、器件封裝至系統(tǒng)模塊的完整產(chǎn)業(yè)鏈。
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