駐極體電容式麥克風的參數規格及設計

大家好，我是記得誠。

ECM是指駐極體電容式麥克風，與MEMS硅麥不同，其內部結構如圖1所示。

MIC內部有一個充有一定電荷的膜片電容，電容其中一個極板與FET連接，由于FET的基極輸入阻抗很高，可以認為電容的電荷不會消失。

膜片隨著外部聲壓振動，使得電容兩個極板之間距離發生變化，從而導致電容發生變化，從電容公式可以知道，電荷一定的情況下，當電容值發生改變時，電壓也會發生變化，即FET的GS電壓改變導致DS電流發生變化，電流的變化導致外部偏置電阻上的電壓發生變化，從而使得MIC輸出端DS電壓發生變化，其電壓變化量和偏置電阻的電壓變化量相等。

圖1

上述的工作原理其實就是三極管(或MOSFET)的放大用法，在實際工作中，我們使用三極管(或MOSFET)多數是開關作用居多。

2. ECM參數規格

根據上述參考文章的講解，要想MIC輸出電壓的動態范圍最大，需要合適的偏置電阻將正極+輸出電壓設置在Vs的一半。

根據MIC規格書中的電氣參數可知(圖2)，靜態電流為500uA，因此RL=(Vs-V+)/Idss=(2-1)V/500uA=2K，實際選擇了2.2K，相差不大。

這也是多數MIC推薦的工作條件：2V偏置電壓、2.2K偏置電阻。在此條件下，可以計算得出MIC兩端的靜態電壓Vbias=2-2.2K*500uA=0.9V。

圖2

設定好偏置電阻后，我們需要確定MIC輸出的交流電壓，因為真正有用的聲音信息包含在交流電壓信號中。

根據模電MOSFET交流等效模型可得，MIC的交流等效電路如圖3所示。

圖3

由于FET的rgs很大，所以膜片電容上的電荷基本不會放電消失;由于rd相對RL很大，并聯之后可以忽略rd，因此MIC的交流輸出電壓V=gmVgs*RL，由此可知，要想獲得較大的有效交流輸出信號，可以增大偏置電阻RL。

增大偏置電阻，雖然會使動態范圍變小，但由于MIC最大的峰峰值輸出電壓也不會很大(詳見下文)，所以除非偏置電阻設置過大不合理，一般情況也不會導致輸出波形失真。

另外，從電氣參數中可知該MIC的靈敏度為-38dB，輸入的最大聲壓級為110dB SPL。從這兩個參數我們可以得到MIC輸出的最大有效電壓值。

首先，MIC的靈敏度定義為：在單位聲壓激勵下輸出電壓與輸入聲壓的比值，即，給MIC 1Pa(94dB SPL聲壓級)的聲壓時，麥克風輸出的電壓(dBV)

可得該MIC的靈敏度：

聲壓級以符號SPL表示，其定義為將待測聲壓有效值P(e)與參考聲壓P(ref)的比值：

其中Pr=2*10E-5Pa。

可得該MIC的最大聲壓：

因此該MIC的最大輸出有效電壓值為6.32*12.59mV=79.6mV(rms)，對應的最大峰值為79.6*1.414=112mV。

因此，MIC兩端電壓為：Vbias=0.9V;Vac=±0.112V。由此可知，有效電壓相對較小，所以上述的增大偏置電阻犧牲一部分動態范圍，以獲得較大的輸出電壓是可行的。

3. ECM電路參數設計

ECM典型的應用電路是差分接法，如圖4所示，其交流等效電路如圖所示。

圖4

電阻R3、R6和電容C3構成RC低通濾波，給電源MICBIAS濾波。電阻R4和R5是MIC的偏置電阻。

根據交流等效電路(圖5)可知，R4+R5=RL=2.2K，得R4=R5=1.1K。

圖5

假設Vbias=2.4V，為了使圖中紅圈處點電壓等于MIC推薦的工作電壓2V，則電阻R(=R3+R6)上的壓降=2.4-2=0.4V，則R=0.4/500uA=800R，R3=R6=400R，取常用值390R。

這是理論計算值，但是很多情況下，為了獲得較大的有效交流輸出電壓，會選擇較大的偏置電阻，這可以根據實際情況進行權衡。

假設電阻R3、R6和電容C3組成的RC低通濾波截止頻率為10Hz，則1/(2πRC)=10，得到C3=C=20uF，取常用值22uF。C3可以等效成2個電容分別與地相連，即2個電容串聯，每個電容值為2C=44uF(電容串聯，電容值減小一半)。C6用于濾除差模干擾，一般取值220pF，C4和C5濾除共模干擾，一般取33pF。

電阻R1、R2，Codec芯片引腳的輸入阻抗Rc，和隔直電容C1、C2組成高通濾波器。一般情況下芯片引腳的輸入阻抗都比較大，R1和R2就可以忽略，所以很多設計都可以不用電阻R1和R2。

ECM還有另外一種差分接法，如圖6所示，參數計算方法相同。

圖6

其交流輸出和上一種接法相同，但是這種接法有一個好處，就是MIC輸入到Codec的靜態電壓不會因為Vbias電壓波動而受影響，其靜態電壓為電阻R4的壓降，而MIC的靜態電流可以認為基本不變，因此R4的靜態壓降也不變。而上一種接法當Vbias變化時，MIC兩端的靜態電壓會因為外部電阻的壓降而發生變化，使Codec誤認為有MIC有交流輸出，形成噪聲。

從上述分析也可以看出，無論何種差分接法，都不算真正的差分，因為差分信號的共模電壓是相同的，而上述的差分接法，P和N的共模電壓是不同的。正因此，Vbias的波動會使得共模電壓變化轉變成差模電壓，形成噪聲。

MIC除了差分接法外，網絡上還能查到一種叫偽差分的接法，如圖7所示。區別在于MIC一端接地，差分對中的一個信號外接電阻到地，該電阻需要和MIC的輸出阻抗匹配。本人沒有使用過該電路，所以不知實際效果如何，也不做過多介紹。

圖7

MIC除了差分接法外，常見的還有單端接法，就是文章開頭所述的原理部分，不再贅述。

4. ECM電路Layout注意點

以實際應用過差分接法電路為例(圖8)，除了C156、C157和C153要靠近芯片引腳放置之外，其他阻容最好都靠近MIC位置放置。

在有些資料中會提到，MICBIAS相關的阻容應該靠近芯片放置，但是個人覺得這部分阻容也應該靠近MIC放置，因為MICBIAS電壓是用于給MIC供電工作的，同時在芯片MICBIAS引腳位置也放置一個濾波電容C153。

差分接法要注意布線按照差分規則進行。另外，需要注意的一個點就是音頻部分的地和系統地最好分開，以免受到干擾。