2008年7月27日星期日

硬件技术 MIC的结构、原理、性能参数

一、MIC的电路原理
C:是一个可以通过膜片震动而改变电容量的电容,声电转换的主要部件。
FET:(场效应管)MIC的主要器件,起到阻抗变换和放大的作用。
C1,C2:是为了防止射频干扰而设置的,可以分别对两个射频频段的干扰起到抑制作用。
C1一般是10PF,C2一般是33PF,10PF滤波1800Mhz,33PF滤波GSM900Mhz。
RL:负载电阻,它的大小决定灵敏度的高低。
VS:工作电压,MIC提供工作电压。
Co::隔直电容,信号输出端。
二、由声信号到电信号的转换原理
由静电学可知,对于平行板电容器,有如下的关系式:C=ε·S/L① 即电容的容量与介质的介电常数成正比,与两个极板的面积成正比,与两个极板之间的距离成反比。另外,当一个电容器充有Q量的电荷,那麽电容器两个极板要形成一定的电压,有如下关系式;C=Q/V② 对于一个驻极体传声器,内部存在一个由振膜,垫片和极板组成的电容器,因为膜片上充有电荷,并且是一个塑料膜,因此当膜片受到声压强的作用,膜片要产生振动,从而改变了膜片与极板之间的距离,从而改变了电容器两个极板之间的距离,产生了一个Δd的变化,因此由公式①可知,必然要产生一个ΔC的变化,由公式②又知,由于ΔC的变化,充电电荷又是固定不变的,因此必然产生一个ΔV的变化。由于这个信号非常微弱,内阻非常高,不能直接使用,因此还要进行阻抗变换和放大。FET场效应管是一个电压控制元件,漏极的输出电流受源极与栅极电压的控制。由于电容器的两个极是接到FET的S极和G极的,因此相当于FET的S极与G极之间加了一个Δv的变化量,FET的漏极电流I就产生一个ΔID的变化量,因此这个电流的变化量就在电阻RL上产生一个ΔVD的变化量,这个电压的变化量就可以通过电容C0输出,这个电压的变化量是由声压引起的,因此整个传声器就完成了一个声电的转换过程。

三、参数
在讲参数之前讲讲驻极体
驻极体是一种能长久保持电极化状态的电介质,这种电介质是一种高分子聚合物,它的工作原理是电容式的:由一片单面涂有金属的振动膜与一个带有若干小孔贴有驻极体薄膜的金属电极(称为背极)构成。驻极体面与振动膜相对,中间有一极小的空气隙,这就形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质,以背极和振动膜上的金属层作为两个电极的介质电容器,电容器的两极之间并接一只电阻,这只电阻是麦克风的阻抗变换器或前置放大器的输入电阻。由于驻极体上分布有自由电荷,于是在电容器的两极之间就有了电荷量,当声波使振动膜振动而产生位移时,改变了电容器的电容量,电容量的改变使电容器的输出端产生了相应的交变电场,交变电场作用于R就形成了与声波信号对应的电信号,于是就完成子声——电转换的功能。
驻极体麦克风是按电容式原理工作的,因此它具有电容式电声器件的很多优点,如频带宽、音质好、失真小、瞬态响应好,对机械振动不敏感等特点。
下面以麦克风的主要电声性能为例讲述有关设计理论。

1、输出阻抗 影响驻极体麦克风阻抗的主要因素是阻抗变换器或放大器的输出阻抗。对手机用驻极体麦克风而言,阻抗变换器或放大器的输出阻抗主要决定于场效应管(FET)与输出端并接的两只抗RF干扰的滤波电容,由于FET及电容的性能有差异,因此驻极体麦克风的输出阻抗会在一定范畴内变化,选用一致性、稳定性好的FET及电容,严格控制SMT等生产过程,可使阻抗性能的一致性和稳定性达到理想状态。

2、灵敏度 影响驻极体麦克风灵敏度的因素较多,归纳起来主要有以下几项:
A、驻极体表面电荷密度的大小
B、振膜的张力
C、振膜与背极间的距离
D、阻抗变换器或放大器的性能。
驻极体麦克风的灵敏度与驻极体表面电荷密度成正比。表面电荷密度越大,则驻极体麦克风灵敏度就越高。但驻极体表面电荷密度过大将会导致振膜附到背极上,使麦克风处于不稳定状态。解决的办法是增大振膜与背极的距离或增加膜片的张力,由此会导致灵敏度降低和频响曲线改变。另外表面电荷密度大,其稳定性就差,因此对客户要求的灵敏度来讲应选取合适的电荷密度,确保其稳定性。 驻极体麦克风的灵敏度与振膜的张力成反比关系。张力越大灵敏度就越低,张力越小灵敏度就越高,但张力的大小会受材料及生产工艺的影响,振膜张力过大可导致振膜产生不可逆的蠕变,从而影响稳定性。振膜张力过小可使频响变差,同样出现性能不稳定。因此对客户要求的灵敏度来讲应选取合理的张力设计,确保其性能稳定。 麦克风的灵敏度同振膜与背极间距成反比关系。间距越大,灵敏度就越低;间距越小,灵敏度就越高。合理的间距设计需考虑客户对灵敏度的要求及稳定性的好坏等多方面的因素。 麦克风的灵敏度同阻抗变换器(放大器的影响量)成正比关系。FET放大倍数越大,则灵敏度高。过大的放大量会导致噪音的增大,影响使用效果。合适的放大量或合适的阻抗对灵敏度设计的影响是很重要的。 在影响灵敏度的诸多因素之间,我们会根据客户的需要综合考虑,不是片面追求灵敏度的高低为目标,而应以追求稳定性为目标。

3、频率响应 影响驻极体麦克风的频率响应的因素有振膜的张力、背极板上孔的数量、孔径的大小、孔位以及与孔相连的后腔体积大小等。对一个已经定型的驻极体麦克风而言,其背极板上孔径、孔位及孔的数量均已确定与孔相连的后腔体积也已基本确定,而容易变化的则是振膜的张力,振膜的张力大,它的共振频率就高,驻极体麦克风的频率响应就平坦。但张力过大,长时间工作,同样使振膜产生不可逆的蠕变,从而影响麦克风的稳定性。除振膜张力影响频率响应外,FET的频率特性及由于生产过程封变影响造成180度方向产生过大的声压作用等也会影响麦克风的频率响应。

4、信噪比(S/N) 影响信噪比(S/N)的因素很多:设计时应考虑PCB的高频分布电容,分布电感; 阻抗的匹配,RF的干扰,FET的本底噪音,电容极头的屏蔽性,接地电阻等诸多因素。 解决以上问题,从抗高频干扰角度合理设计PCB布线,并经严格的IQC检测;选用优质低噪的FET,并加抗RF干扰电容;严格极头制作工艺和装配工艺,使噪音降到最小,从而使S/N达到理想的最大值。

5.指向性 又称为方向性,是指传声器对不同角度入射的声波的响应。当声波以不同角度入射到振漠时,振膜所受到的作用力不同,相应的输出也不同。这种因入射声波的入射角不同而使传声器灵敏度产生变化的特性,称为传声器的指向性。这里的声波入射角是声波与振膜法线的角。
在工作中,避免数学计算,通常采用极坐标图形表示。称为传声器指向性图形。有时也采用不同入射角的频响曲线表示法。
话筒的指向:分为心形、超心形、8字形、枪式、全向指向等。见下图

至于这些指向究竟是怎么回事,你可找个话筒试试。如图中,箭头所指方向为话筒所指正前方,虚线为可拾音的大致范围,在范围之外,拾音将不灵敏。有条件,建议还是找个多指向的话筒试用一下,就知道怎么回事了。
6.降电压特性、最大工作电压及消耗电流 降电压特性、最大工作电压及消耗电流主要取决于FET的性能。设计时针对不同客户,通过FET设计验证结果择优选用,使降电压特性的变化最小,使最大工作电压及消耗电流的余量最大。消耗电流除受FET出厂性能影响外,实际的生产环境洁净度、湿度等因素也必须考虑。

四、应用实例

MIC在手机上的使用条件,其中包括工作电压,负载电阻。另外在以下情况下还要对MIC的工作电流进行限定,例如有的手机给MIC的供电电压为1.8V,而负载电阻为2.2K,因为Vd=Vsd+Id*R, Id = (Vs- Vsd)/ RL为了保证MIC中的FET工作在线性工作区,不进入饱和区,应使Vsd≥0.7V,因此Id≤(1.8V- 0.7V)/ 2.2K=0.5 mA,因此在这种情况下,选用的FET的电流不能大于500μA。从下面这个MIC的参数就可以看的出来。
灵敏度 -43+/-2dB RL=2.2KΩ Vs=2.0V(DC)(1KHz 0dB=1V/Pa)
输出电阻 最大2.2KΩ 1KHz(RL=2.2KΩ)
频率 50-12000Hz
电流损耗 最大0.5mA RL=2.2KΩ Vs=2.0V(DC)
操作电压范围 1.0V-10V(DC)
最大输出声压 115dB S.P.L
信噪比 58dB 1KHz,0dB=1V/Pa
灵敏度变化 2.0V-1.5V灵敏度减小3dB

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