驻极体电容式麦克风的参数规格及设计

大家好，我是记得诚。

ECM是指驻极体电容式麦克风，与MEMS硅麦不同，其内部结构如图1所示。

MIC内部有一个充有一定电荷的膜片电容，电容其中一个极板与FET连接，由于FET的基极输入阻抗很高，可以认为电容的电荷不会消失。

膜片随着外部声压振动，使得电容两个极板之间距离发生变化，从而导致电容发生变化，从电容公式可以知道，电荷一定的情况下，当电容值发生改变时，电压也会发生变化，即FET的GS电压改变导致DS电流发生变化，电流的变化导致外部偏置电阻上的电压发生变化，从而使得MIC输出端DS电压发生变化，其电压变化量和偏置电阻的电压变化量相等。

图1

上述的工作原理其实就是三极管(或MOSFET)的放大用法，在实际工作中，我们使用三极管(或MOSFET)多数是开关作用居多。

2. ECM参数规格

根据上述参考文章的讲解，要想MIC输出电压的动态范围最大，需要合适的偏置电阻将正极+输出电压设置在Vs的一半。

根据MIC规格书中的电气参数可知(图2)，静态电流为500uA，因此RL=(Vs-V+)/Idss=(2-1)V/500uA=2K，实际选择了2.2K，相差不大。

这也是多数MIC推荐的工作条件：2V偏置电压、2.2K偏置电阻。在此条件下，可以计算得出MIC两端的静态电压Vbias=2-2.2K*500uA=0.9V。

图2

设定好偏置电阻后，我们需要确定MIC输出的交流电压，因为真正有用的声音信息包含在交流电压信号中。

根据模电MOSFET交流等效模型可得，MIC的交流等效电路如图3所示。

图3

由于FET的rgs很大，所以膜片电容上的电荷基本不会放电消失;由于rd相对RL很大，并联之后可以忽略rd，因此MIC的交流输出电压V=gmVgs*RL，由此可知，要想获得较大的有效交流输出信号，可以增大偏置电阻RL。

增大偏置电阻，虽然会使动态范围变小，但由于MIC最大的峰峰值输出电压也不会很大(详见下文)，所以除非偏置电阻设置过大不合理，一般情况也不会导致输出波形失真。

另外，从电气参数中可知该MIC的灵敏度为-38dB，输入的最大声压级为110dB SPL。从这两个参数我们可以得到MIC输出的最大有效电压值。

首先，MIC的灵敏度定义为：在单位声压激励下输出电压与输入声压的比值，即，给MIC 1Pa(94dB SPL声压级)的声压时，麦克风输出的电压(dBV)

可得该MIC的灵敏度：

声压级以符号SPL表示，其定义为将待测声压有效值P(e)与参考声压P(ref)的比值：

其中Pr=2*10E-5Pa。

可得该MIC的最大声压：

因此该MIC的最大输出有效电压值为6.32*12.59mV=79.6mV(rms)，对应的最大峰值为79.6*1.414=112mV。

因此，MIC两端电压为：Vbias=0.9V;Vac=±0.112V。由此可知，有效电压相对较小，所以上述的增大偏置电阻牺牲一部分动态范围，以获得较大的输出电压是可行的。

3. ECM电路参数设计

ECM典型的应用电路是差分接法，如图4所示，其交流等效电路如图所示。

图4

电阻R3、R6和电容C3构成RC低通滤波，给电源MICBIAS滤波。电阻R4和R5是MIC的偏置电阻。

根据交流等效电路(图5)可知，R4+R5=RL=2.2K，得R4=R5=1.1K。

图5

假设Vbias=2.4V，为了使图中红圈处点电压等于MIC推荐的工作电压2V，则电阻R(=R3+R6)上的压降=2.4-2=0.4V，则R=0.4/500uA=800R，R3=R6=400R，取常用值390R。

这是理论计算值，但是很多情况下，为了获得较大的有效交流输出电压，会选择较大的偏置电阻，这可以根据实际情况进行权衡。

假设电阻R3、R6和电容C3组成的RC低通滤波截止频率为10Hz，则1/(2πRC)=10，得到C3=C=20uF，取常用值22uF。C3可以等效成2个电容分别与地相连，即2个电容串联，每个电容值为2C=44uF(电容串联，电容值减小一半)。C6用于滤除差模干扰，一般取值220pF，C4和C5滤除共模干扰，一般取33pF。

电阻R1、R2，Codec芯片引脚的输入阻抗Rc，和隔直电容C1、C2组成高通滤波器。一般情况下芯片引脚的输入阻抗都比较大，R1和R2就可以忽略，所以很多设计都可以不用电阻R1和R2。

ECM还有另外一种差分接法，如图6所示，参数计算方法相同。

图6

其交流输出和上一种接法相同，但是这种接法有一个好处，就是MIC输入到Codec的静态电压不会因为Vbias电压波动而受影响，其静态电压为电阻R4的压降，而MIC的静态电流可以认为基本不变，因此R4的静态压降也不变。而上一种接法当Vbias变化时，MIC两端的静态电压会因为外部电阻的压降而发生变化，使Codec误认为有MIC有交流输出，形成噪声。

从上述分析也可以看出，无论何种差分接法，都不算真正的差分，因为差分信号的共模电压是相同的，而上述的差分接法，P和N的共模电压是不同的。正因此，Vbias的波动会使得共模电压变化转变成差模电压，形成噪声。

MIC除了差分接法外，网络上还能查到一种叫伪差分的接法，如图7所示。区别在于MIC一端接地，差分对中的一个信号外接电阻到地，该电阻需要和MIC的输出阻抗匹配。本人没有使用过该电路，所以不知实际效果如何，也不做过多介绍。

图7

MIC除了差分接法外，常见的还有单端接法，就是文章开头所述的原理部分，不再赘述。

4. ECM电路Layout注意点

以实际应用过差分接法电路为例(图8)，除了C156、C157和C153要靠近芯片引脚放置之外，其他阻容最好都靠近MIC位置放置。

在有些资料中会提到，MICBIAS相关的阻容应该靠近芯片放置，但是个人觉得这部分阻容也应该靠近MIC放置，因为MICBIAS电压是用于给MIC供电工作的，同时在芯片MICBIAS引脚位置也放置一个滤波电容C153。

差分接法要注意布线按照差分规则进行。另外，需要注意的一个点就是音频部分的地和系统地最好分开，以免受到干扰。

审核编辑：汤梓红