1.1、动圈式麦克风(Dynamic Micphone)
原理:基本构造包含线圈、振膜、永久磁铁三部分。当声波进入麦克风,振膜受到声波的压力而产生振动,与振膜在一起的线圈则开始在磁场中移动,根据法拉第的楞次定律,线圈会产生感应电流。
特性:动圈式麦克风因含有磁铁和线圈,不够轻便、灵敏度较低、高低频响应表现较差;优点是声音较柔润,适合用来收录人声。
应用:KTV场所。
1.2、电容式麦克风(Condenser Micphone)
原理:根据电容两片隔板间距离的改变来产生电压变化。当声波进入麦克风,振膜产生振动,使得振动膜和基板之间的距离会随着振动而改变,于是基板间的电容会变,根据Q=C*V(电容式麦克风中电容极板的电压会维持一个定值)得到变化的电荷量Q。
特性:灵敏度高,常用于高质量的录音。
应用:消费电子、录音室。
1.3、铝带式麦克风(Ribbon Micphone)
原理:在磁铁两极间放入通常是铝制的波浪状金属箔带,金属薄膜受声音震动时,因电磁感应而产生信号。
1.4、碳精麦克风(Carbon Micphone)
3.1、指向性(Directivity)
指向性描述麦克风对于不同角度声音的灵敏度,规格上常用如下的polar pattern表示,在每个示意图中,虚线圆形的上方代表麦克风前方,下方代表麦克风的后方。
3.2、灵敏度级(Sensitivity)
声压:指声波通过某种媒质时,由振动产生的压强改变量。单位为Pa、μbar。1μbar=0.1Pa。
参考声压:P(ref) = 20μPa。
声压级(SPL):
例:1Pa声压的声压级为
灵敏度:指麦克风的开路电压与作用在其膜片上的声压之比。单位为mv/pa、mv/ubar。1mv/ubar = 10mv/pa。
参考灵敏度:Mr = 1V/Pa
灵敏度级:
例:1V/Pa灵敏度的灵敏度级为
3.3、信噪比(SNR)
信号与噪声的比例。
3.4、总谐波失真(THD)
总谐波失真是指输出信号比输入信号多出的谐波成分。谐波失真是系统不是完全线性造成的。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。总谐波失真与频率有关,一般来说,1khz频率处的总谐波失真最小,因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。
公式1:
上式中,符号G表示谐波分量的有效值,它将按要求在表示电流时被I代替,在表示电压时被U代替,H的值在与限制有关的每一个标准中给出。按照上述定义,THD不包含简谐波,并且,有一固定的谐波上限。
公式2:
上式中,Q为总有效值,Q1为基波有效值,可代表电压或电流,按照上述定义,THD包含间谐波和直流分量。
3.5、等效输入噪声(EIN)
无外声场时,仅由传声器固有噪声引起的输出电压,可以看作能产生相同有效值输出电压的外部声压级。
3.6、电源抑制比(PSRR)
电源抑制比(PSRR)是输入电源变化量(以伏为单位)与转换器输出变化量(以伏为单位)的比值,常用分贝表示。
3.7、输出阻抗(Zout)
2.1、驻极体电容麦克风(Electret Condenser Micphone)
原理:驻极体麦克风使用了可保有永久电荷的驻极体物质,不需要再对电容供电。(若驻极体麦克风中内置放大电路,则需要供电)
优点:技术成熟、价格便宜
缺点:体积大,不方便SMT、引线长,造成信号衰减、生产工序多,一致性差、灵敏度不稳定
2.2、微机电麦克风(MEMS Micphone)
原理:微机电麦克风也称麦克风芯片或硅麦克风,硅麦一般都集成了前置放大器,甚至有些硅麦会集成模拟数字转换器,直接输出数字信号,成为数字麦克风。
优点:体积小,可SMT、产品稳定性好
缺点:价格较高
备注:一般情况下,我们把集成了前置放大器或者模拟数字转换器的麦克风称为拾音器(pickup)。
关键词:克风技术, MEMS, ECM, 微机电系统, 驻极体电容式, 声音, 选料
从可穿戴设备到家庭助理,越来越多的设备利用麦克风来准确采集几乎任何声音。麦克风结构中两种最常用的技术是微机电系统(MEMS) 麦克风和驻极体电容式麦克风 (ECM),每种技术都有无数使用案例。本文将介绍这两种技术的基础知识,然后比较两者的差异,最后简单介绍每种解决方案的优势。
01
MEMS麦克风
MEMS麦克风的MEMS元件位于印刷电路板 (PCB) 上,并由机械盖提供保护,其外壳上开了一个小孔,以允许声音进入器件。小孔的位置决定了麦克风的类型,如果小孔位于顶盖内,则麦克风称作上置声孔麦克风,如果小孔位于PCB内,则称作下置声孔麦克风。MEMS元件通常配有一个机械振膜,以及一个装在半导体芯片上的安装结构。
图1:典型上置声孔MEMS麦克风结构。(图片来源:CUIDevices)
MEMS振膜形成一个电容器,而声压波会引起振膜运动。一般而言,MEMS麦克风包含一个第二半导体芯片,该芯片充当音频前置放大器,用于将MEMS不断变化的电容转换为电信号。如果首选模拟输出信号,则可向用户提供音频前置放大器的输出。不过,如果需要数字输出信号,则在该音频前置放大器的同一芯片上集成了一个模数转换器 (ADC)。脉冲密度调制 (PDM) 是用于MEMS麦克风数字编码的传统格式,只需一条数据线和一个时钟便可实现通信。此外,由于数据采用单比特编码,在接收器处对数字信号解码也变得更容易。
图2:左图:模拟MEMS麦克风的应用原理图。右图:数字MEMS麦克风的应用原理图(图片来源:CUI Devices)
02
驻极体电容式麦克风
驻极体电容式麦克风 (ECM) 的结构如图3所示。
图3:驻极体电容式麦克风的基本结构(图片来源:CUI Devices)
在ECM中,驻极体振膜是一种放置在导电板附近,具有固定表面电荷的材料,并且与MEMS麦克风一样,利用形成电介质的气隙来构造电容器。移动驻极体振膜的声压波会引起电容值变化,从而导致电容器两端的电压发生变化,ΔV= Q /ΔC(Q=固定电荷)。电容器电压的这些变化通过麦克风外壳内的JFET进行放大和缓冲。JFET通常采用共源配置设计,这种配置在外部应用电路中配有外部负载电阻和直流阻塞电容器。
图4:ECM应用原理图(图片来源:CUI Devices)
优势与取舍
在ECM或MEMS麦克风之间选择时,需要考虑许多因素。较新的MEMS麦克风技术具有诸多优势,这体现为其市场份额的迅速扩大。例如,对于为空间受限的应用寻找解决方案的设计人员而言,他们更青睐MEMS麦克风,因为这种麦克风不仅封装尺寸小,而且通过在组件内集成模拟和数字电路,缩小了PCB面积并降低了元件成本。
此外,模拟MEMS麦克风的输出阻抗相对较低,搭配数字MEMS麦克风的输出,堪称电噪声环境下的应用首选。同样,在高振动环境中使用MEMS麦克风技术,可以降低机械振动产生的令人讨厌的噪声水平。半导体结构技术配合增加的音频前置放大器,进一步增大了制造出具有紧密匹配和温度稳定性能特征的MEMS麦克风的可能性,而这种麦克风非常适合多麦克风阵列应用。在制造过程中,MEMS麦克风还可以承受回流焊温度曲线。
尽管 MEMS 麦克风日益流行,但驻极体电容式麦克风 (ECM) 仍然是各种应用的可行选择。由于许多传统设计采用的是ECM,因此继续使用ECM进行简单的设计升级,对工程师来说可能是最简单的解决方案。凭借包括电线、引脚、焊盘、SMT和弹簧触点在内的多种端接方式,ECM还为设计人员提供了更多的安装灵活性。如果存在灰尘和湿气问题,则可以轻松采用具有高侵入防护 (IP) 等级的ECM解决方案,因为ECM麦克风的物理尺寸较大。此外,在需要非均匀空间灵敏度的应用中,ECM 产品还具有单向性或消噪指向性。ECM麦克风的大范围工作电压也适用于具有松散稳压电压轨的应用。
选择合适的麦克风
最终选择哪种麦克风技术取决于项目的约束条件。MEMS麦克风因为具有众多的固有优势而日渐流行,这一事实毋庸置疑,但由于ECM产品提供了许多封装和方向性选择,因此仍有大量应用依赖ECM产品。不过除了技术选择之外,电子元件制造商CUI Devices还在不断开发和提供各种麦克风产品,为满足您的音频需求提供了更大的灵活性。