如何設計小型化超薄高信噪比駐極體麥克風(ECM)

藍色部分標出與麥克風聲學設計相關的電學參數(shù)。其中，Ve為麥克風極化電位，也即麥克風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體部分對地(管殼)的寄生電容之和。

淺灰色部分標出了與麥克風接口放大器(例如JFET)相關的電學參數(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，以及麥克風中和放大器輸入引腳相連的導體部分與麥克風輸出引腳上導體部分的計生電容；Gm為放大器的等價跨導。

在麥克風內(nèi)部，往往還會并聯(lián)兩個分別為10pF和33pF的射頻去藕電容，這樣可以在手機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

在一般的麥克風設計中，米勒寄生電容Cc較小，此時放大器的輸入寄生電容和結(jié)構(gòu)寄生電容對麥克風靈敏度有較大的影響。假設ECM輸入的聲壓信號使得振膜產(chǎn)生位移，并導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 寄生電容對麥克風靈敏度的影響

在典型的4015麥克風中，放大器的輸入寄生電容Cpa約為3.5pF左右(TF202)，此時Cpa對于靈敏度的影響不大；但是當麥克風尺寸縮小至3015時，由于Cm和Cps的減小，Cpa將會額外導致3~4dB的靈敏度下降，因此在3015麥克風中，TF202的實際電壓增益將從-2dB降低到-6dB左右，導致麥克風靈敏度和信噪比的惡化；當麥克風尺寸進一步縮小至2.5mm時，Cpa將會導致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的麥克風放大器，例如北京卓銳微技術有限公司提供的ACT503D駐極體麥克風放大器，其Cpa約為0.1pF，在麥克風的結(jié)構(gòu)設計和基板設計中仍然需要仔細考慮，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麥克風中，假設Cm為4pF，Cps為2.2pF，采用TF252時，Cpa為3.1pF，當從TF252轉(zhuǎn)換為使用ACT503D時，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。但是如果進一步將銅環(huán)接觸改為銅絲點接觸并優(yōu)化基板設計，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靈敏度比使用TF252要高出將近10dB，這樣就很容易實現(xiàn)高靈敏度的薄型麥克風產(chǎn)品。

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

實際麥克風試裝數(shù)據(jù)

圖八中給出了使用北京卓銳微技術有限公司提供的ACT503D的一款超薄型4mm麥克風產(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超薄麥克風中的靈敏度分布

表一 ACT503D在4mm超薄麥克風中的信噪比

圖九中給出了使用ACT503D的一款3mm麥克風產(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超薄麥克風中的靈敏度分布

表二 ACT503D在3mm麥克風中的靈敏度和信噪比