本文主要是關(guān)于麥克風(fēng)的相關(guān)介紹,并著重對麥克風(fēng)構(gòu)造及其偏置電路和濾波電路進(jìn)行了詳盡的闡述。
麥克風(fēng),學(xué)名為傳聲器,是將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器件,由“Microphone”這個英文單詞音譯而來。也稱話筒、微音器。二十世紀(jì),麥克風(fēng)由最初通過電阻轉(zhuǎn)換聲電發(fā)展為電感、電容式轉(zhuǎn)換,大量新的麥克風(fēng)技術(shù)逐漸發(fā)展起來,這其中包括鋁帶、動圈等麥克風(fēng),以及當(dāng)前廣泛使用的電容麥克風(fēng)和駐極體麥克風(fēng)。
工作原理
麥克風(fēng)是由聲音的振動傳到麥克風(fēng)的振膜上,推動里邊的磁鐵形成變化的電流,這樣變化的電流送到后面的聲音處理電路進(jìn)行放大處理。聲音是奇妙的東西。我們聽到的各種不同聲音,都是由我們周圍空氣的微小壓差產(chǎn)生的。奇妙之處在于,空氣能將這些壓差如此完好、如此真實地傳輸相當(dāng)長的距離。它是由金屬隔膜連接到針上,這根針在一塊金屬箔上刮擦圖案。 當(dāng)您朝著隔膜講話時,產(chǎn)生的空氣壓差使隔膜運動,從而使針運動,針的運動被記錄在金屬箔上。隨后,當(dāng)您在金屬箔上向回運行針時,在金屬箔上刮擦產(chǎn)生的振動會使隔膜運動,將聲音重現(xiàn)。這種純粹的機(jī)械系統(tǒng)運行顯示了空氣中的振動能產(chǎn)生多么大的能量!所有現(xiàn)代的麥克風(fēng)與最初的麥克風(fēng)需要完成的事情都并無二致。只不過就是以電的方式,代替了機(jī)械方式。麥克風(fēng)將空氣中的變動壓力波轉(zhuǎn)化成變動電信號。有五種常用技術(shù)用來完成此項轉(zhuǎn)化:
碳最古老最簡單的麥克風(fēng),使用碳塵。歷史上第一部電話就使用此項技術(shù),如今在某些電話中仍在使用。在碳塵的一側(cè)有很薄的金屬或塑料隔膜。當(dāng)聲波擊打隔膜時,它們壓縮碳塵,改變電阻。通過給碳通電,改變了的電阻會改變電流大小。有關(guān)更多信息,請參見電話工作原理。
動態(tài)動態(tài)麥克風(fēng)利用電磁效應(yīng)。當(dāng)磁體通過電線(或線圈)時,磁體在電線中感應(yīng)出電流。在動態(tài)麥克風(fēng)中,當(dāng)聲波擊打隔膜時,隔膜會移動磁體,此運動產(chǎn)生很小的電流。
帶狀在帶狀麥克風(fēng)中,一個薄的帶狀物懸掛在磁場中。聲波會移動帶狀物,從而改變流經(jīng)它的電流。
電容器電容器麥克風(fēng)實際上是一個電容器,其中電容器的一極響應(yīng)聲波而運動。運動改變了電容器的電容,這些改變被放大,從而產(chǎn)生可測量的信號。電容器麥克風(fēng)通常使用一個小的電池,為電容器提供電壓。
晶體某些晶體改變形狀時會改變它們的電屬性(要了解此現(xiàn)象的一個例子,請參見石英表工作原理)。通過將隔膜連接到晶體,當(dāng)聲波擊打隔膜時,晶體將產(chǎn)生信號。
物理中很多事物是相對可逆的,比如話筒和揚聲器,同樣的構(gòu)造由于因果關(guān)系的互換,實現(xiàn)了形式上相對、本質(zhì)原理卻統(tǒng)一的功能。
甲圖是話筒和揚聲器的原理圖:當(dāng)人們對著話筒講話時,聲波的振動使得金屬膜片振動,從而在音圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流,實現(xiàn)了把聲音信號轉(zhuǎn)化成電信號;而揚聲器剛好相反,當(dāng)變化的電流通過音圈時,音圈在磁場的作用下產(chǎn)生振動,從而把電信號轉(zhuǎn)化成聲音信號。前者是電磁感應(yīng)現(xiàn)象,后者是電流的磁效應(yīng)。當(dāng)然二者通常是共同使用的,聲音通過話筒轉(zhuǎn)換后,經(jīng)放大電路處理由揚聲器播放出來。
乙圖是磁帶錄音機(jī)的原理圖:錄音時,已經(jīng)被轉(zhuǎn)化成電信號的聲音,在經(jīng)過磁帶不同區(qū)域的時候,將磁帶上的磁粉磁化,不由此,磁帶記錄了聲音的變化,這一步驟屬于電流的磁效應(yīng);放音時,磁帶經(jīng)過磁頭,在線圈中產(chǎn)生變化的感應(yīng)電流,這一步驟是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。
當(dāng)然在錄音、放音過程中,合并了話筒、揚聲器,整個錄音、放音過程中都伴隨著電流的磁效應(yīng)、電磁感應(yīng)現(xiàn)象。
在現(xiàn)代社會,想要找到磁帶錄音機(jī),估計要到舊貨市場上了,這也成為了家用電子設(shè)備發(fā)展歷史上的一筆,估計在未來很多年,能夠在博物館中看到它。
音頻電路的ECM連接
ECM有兩根信號引線:輸出和接地。麥克風(fēng)通過輸出引腳上的直流偏置實現(xiàn)偏置。這種偏置通常通過偏置電阻提供,而且麥克風(fēng)輸出和前置放大器輸入之間的信號會經(jīng)過交流耦合。
ECM的常見用例是在手機(jī)上連接的耳機(jī)中用作內(nèi)聯(lián)式語音麥克風(fēng)。這種情況下,耳機(jī)和手機(jī)之間的連接器有四個引腳:左側(cè)音頻輸出、右側(cè)音頻輸出、麥克風(fēng)信號以及接地。在這種設(shè)計中,ECM的輸出信號和直流偏置電壓在同一信號線路中傳輸。偏置電壓源通常約為2.2 V。
MEMS麥克風(fēng)區(qū)別
模擬MEMS麥克風(fēng)的信號引腳上不使用輸入偏置電壓。但是,它是一種三端器件,有不同的引腳分別用于電源、接地和輸出。VDD引腳的供電電壓一般為 1.8至3.3 V。MEMS麥克風(fēng)的信號輸出通過直流電壓實現(xiàn)偏置,一般等于或接近0.8 V。在設(shè)計中,該輸出信號通常會經(jīng)過交流耦合。
圖1. ECM電路連接
相對于ECM,使用MEMS麥克風(fēng)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于它的電源抑制(PSR)性能更強(qiáng)。MEMS麥克風(fēng)的PSR通常至少為70 dBV,ECM卻根本沒有電源抑制能力,因為偏置電壓直接通過電阻連接至麥克風(fēng)。
用MEMS麥克風(fēng)取代ECM時需要進(jìn)行的電路更改
對于原本圍繞ECM設(shè)計的系統(tǒng),改用MEMS麥克風(fēng)時面臨的基本難題是,電源和麥克風(fēng)輸出沒有單獨的信號,例如使用耳機(jī)式麥克風(fēng)時。如果對電路進(jìn)行一些小的更改,就可以在此類設(shè)計中使用MEMS麥克風(fēng)。首先,必須將信號鏈中直流偏置提供的下游信號與麥克風(fēng)的輸出信號隔離。其次,必須將此直流偏置用于為 MEMS麥克風(fēng)供電,而且不能讓麥克風(fēng)的輸出信號干擾電源。直流偏置的隔離可通過交流耦合電容實現(xiàn),MEMS麥克風(fēng)的電源可通過仔細(xì)設(shè)計的電路提供,該電路充當(dāng)分壓器和低通濾波器。以下設(shè)計中使用了ADMP504 MEMS麥克風(fēng)作為示例。其中用到了一個2.2 k 偏置電阻。
圖2. 將一根線用于電源和輸出信號的MEMS麥克風(fēng)
圖2顯示了一個實現(xiàn)上述功能的設(shè)計示例。在耳機(jī)的設(shè)計中,耳機(jī)連接器左側(cè)的電路部分將會在實際耳機(jī)中,2.2 k偏置電阻和1 F交流耦合電容則在源設(shè)備(例如智能手機(jī))中。電阻R1和R偏置形成分壓器,MEMS麥克風(fēng)將V偏置電壓降至VDD引腳的供電電壓。根據(jù)V偏置、R偏置和所需VDD電壓的值,電阻R1可能需要非常小,如下例所示。要計算所需的串聯(lián)電阻(R偏置 + R1),可將麥克風(fēng)建模為一個電阻,將有固定電流從中流過。VDD = 1.8 V時,ADMP504的典型供電電流為180 A。根據(jù)歐姆定律,VDD上的電壓為1.8 V時,該麥克風(fēng)可建模為一個10 k 的電阻。要求解合適的電阻R1值,所用的分壓器公式為:
?。埯溈孙L(fēng)VDD] = [偏置電壓] &TImes;(10 k /(10 k + R1 + R偏置
根據(jù)此公式可以算出,一個2.2 k 的R偏置電阻和一個499的R1電阻會從2.2 V偏置電壓分出1.73 V到麥克風(fēng)的VDD上。在選擇R1值時,需要進(jìn)行權(quán)衡取舍;如下所示,此值太大會導(dǎo)致VDD過小,但為了防止C2過大,又不能讓此值太小。 如今MEMS麥克風(fēng)正逐漸取代音頻電路中的駐極體電容麥克風(fēng)(ECM)。ECM和MEMS這兩種麥克風(fēng)的功能相同,但各自和系統(tǒng)其余部分之間的連接卻不一樣。本應(yīng)用筆記將會介紹這些區(qū)別,并根據(jù)一個簡單的基于MEMS麥克風(fēng)的替換電路提供設(shè)計詳情。
圖3. 分壓器模型
圖3顯示了該分壓器的兩種不同模型。左側(cè),ADMP504麥克風(fēng)建模為180 A電流源;右側(cè),麥克風(fēng)則建模為具有1.8 V VDD的10 k 電阻。
電容C2和電阻R1形成低通濾波器,用于對電壓供電信號中輸出的麥克風(fēng)音頻進(jìn)行濾波。這種濾波器轉(zhuǎn)折頻率應(yīng)該遠(yuǎn)低于麥克風(fēng)本身的濾波器較低轉(zhuǎn)折頻率。將低通濾波器設(shè)計為至少低于麥克風(fēng)較低轉(zhuǎn)折頻率的兩個倍頻程,這會是一個好的開端。對于ADMP504,此轉(zhuǎn)折頻率為100 Hz。10 F的電容和499 的R1電阻可實現(xiàn)轉(zhuǎn)折頻率為31 Hz的濾波器。較大的電容或電阻會進(jìn)一步降低此轉(zhuǎn)折頻率,但是該濾波器的電阻大小必須與它對分壓器的貢獻(xiàn)保持平衡,其中,分壓器會向麥克風(fēng)提供VDD。低通濾波器的−3 dB點的計算公式如下:
f−3 dB = 1/(2π &TImes; R1 &TImes; C2)
其中:
R1為分壓器中的電阻。
C2為低通濾波器電容。
電容C1對麥克風(fēng)輸出進(jìn)行交流耦合,這樣它的偏置輸出就會與通過手機(jī)提供的麥克風(fēng)偏置電壓隔離。在給定的VDD條件下,憑借R偏置、R1和麥克風(fēng)的等效電阻,該電容還會形成高通濾波器。計算高通濾波器轉(zhuǎn)折頻率時要考慮的總電阻為與R偏置并聯(lián)的RMIC和R1的串聯(lián)電阻。此電阻的計算公式為
R總 =((RMIC + R1) &TImes; R偏置)/(RMIC + R1 + R偏置)
對于此處的示例,R總 = 1810 。高通濾波器轉(zhuǎn)折頻率為:
f−3 dB = 1/(2π(R總 × C1)
要讓濾波器轉(zhuǎn)折頻率至少低于ADMP504低頻滾降頻率100 Hz一個倍頻程的濾波器轉(zhuǎn)折頻率為100 Hz,C1至少應(yīng)該為1.8 F。
圖4. 采用ADMP504 MEMS麥克風(fēng)的電路
圖4顯示了一套完整的耳機(jī)電路,其中采用了ADMP504MEMS麥克風(fēng)以及合適的電阻和電容值,并以我們處理的V偏置和R偏置值為依據(jù)。