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

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(guò)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(duì)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(huì)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(duì)麥克風(fēng)靈敏度有較大的影響。假設(shè)ECM輸入的聲壓信號(hào)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(hào)的rms幅度Vin為：

圖七 寄生電容對(duì)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(duì)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(huì)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(huì)導(dǎo)致6~8dB的靈敏度惡化，從而完全無(wú)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(hào)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(lái)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(huì)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(huì)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(shì)。

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(cè)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(cè)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