麥克風(fēng)的構(gòu)造圖解 麥克風(fēng)偏置電路和濾波電路

本文主要是關(guān)于麥克風(fēng)的相關(guān)介紹，并著重對(duì)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)

麥克風(fēng)，學(xué)名為傳聲器，是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件，由“Microphone”這個(gè)英文單詞音譯而來(lái)。也稱話筒、微音器。二十世紀(jì)，麥克風(fēng)由最初通過(guò)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(lái)，這其中包括鋁帶、動(dòng)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(dòng)傳到麥克風(fēng)的振膜上，推動(dòng)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(tīng)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(shí)地傳輸相當(dāng)長(zhǎng)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(shí)，產(chǎn)生的空氣壓差使隔膜運(yùn)動(dòng)，從而使針運(yùn)動(dòng)，針的運(yùn)動(dòng)被記錄在金屬箔上。隨后，當(dāng)您在金屬箔上向回運(yùn)行針時(shí)，在金屬箔上刮擦產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)使隔膜運(yùn)動(dòng)，將聲音重現(xiàn)。這種純粹的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行顯示了空氣中的振動(dòng)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(wú)二致。只不過(guò)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(dòng)壓力波轉(zhuǎn)化成變動(dòng)電信號(hào)。有五種常用技術(shù)用來(lái)完成此項(xiàng)轉(zhuǎn)化：

碳最古老最簡(jiǎn)單的麥克風(fēng)，使用碳?jí)m。歷史上第一部電話就使用此項(xiàng)技術(shù)，如今在某些電話中仍在使用。在碳?jí)m的一側(cè)有很薄的金屬或塑料隔膜。當(dāng)聲波擊打隔膜時(shí)，它們壓縮碳?jí)m，改變電阻。通過(guò)給碳通電，改變了的電阻會(huì)改變電流大小。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)電話工作原理。

動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)麥克風(fēng)利用電磁效應(yīng)。當(dāng)磁體通過(guò)電線（或線圈）時(shí)，磁體在電線中感應(yīng)出電流。在動(dòng)態(tài)麥克風(fēng)中，當(dāng)聲波擊打隔膜時(shí)，隔膜會(huì)移動(dòng)磁體，此運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很小的電流。

帶狀在帶狀麥克風(fēng)中，一個(gè)薄的帶狀物懸掛在磁場(chǎng)中。聲波會(huì)移動(dòng)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(shí)際上是一個(gè)電容器，其中電容器的一極響應(yīng)聲波而運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)改變了電容器的電容，這些改變被放大，從而產(chǎn)生可測(cè)量的信號(hào)。電容器麥克風(fēng)通常使用一個(gè)小的電池，為電容器提供電壓。

晶體某些晶體改變形狀時(shí)會(huì)改變它們的電屬性（要了解此現(xiàn)象的一個(gè)例子，請(qǐng)參見(jiàn)石英表工作原理）。通過(guò)將隔膜連接到晶體，當(dāng)聲波擊打隔膜時(shí)，晶體將產(chǎn)生信號(hào)。

麥克風(fēng)的構(gòu)造圖解

物理中很多事物是相對(duì)可逆的，比如話筒和揚(yáng)聲器，同樣的構(gòu)造由于因果關(guān)系的互換，實(shí)現(xiàn)了形式上相對(duì)、本質(zhì)原理卻統(tǒng)一的功能。

甲圖是話筒和揚(yáng)聲器的原理圖：當(dāng)人們對(duì)著話筒講話時(shí)，聲波的振動(dòng)使得金屬膜片振動(dòng)，從而在音圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)了把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)；而揚(yáng)聲器剛好相反，當(dāng)變化的電流通過(guò)音圈時(shí)，音圈在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而把電信號(hào)轉(zhuǎn)化成聲音信號(hào)。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(guò)話筒轉(zhuǎn)換后，經(jīng)放大電路處理由揚(yáng)聲器播放出來(lái)。

乙圖是磁帶錄音機(jī)的原理圖：錄音時(shí)，已經(jīng)被轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的聲音，在經(jīng)過(guò)磁帶不同區(qū)域的時(shí)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(shí)，磁帶經(jīng)過(guò)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(guò)程中，合并了話筒、揚(yáng)聲器，整個(gè)錄音、放音過(guò)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(huì)，想要找到磁帶錄音機(jī)，估計(jì)要到舊貨市場(chǎng)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(jì)在未來(lái)很多年，能夠在博物館中看到它。

麥克風(fēng)偏置電路和濾波電路

音頻電路的ECM連接

ECM有兩根信號(hào)引線：輸出和接地。麥克風(fēng)通過(guò)輸出引腳上的直流偏置實(shí)現(xiàn)偏置。這種偏置通常通過(guò)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(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)交流耦合。

ECM的常見(jiàn)用例是在手機(jī)上連接的耳機(jī)中用作內(nèi)聯(lián)式語(yǔ)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(gè)引腳：左側(cè)音頻輸出、右側(cè)音頻輸出、麥克風(fēng)信號(hào)以及接地。在這種設(shè)計(jì)中，ECM的輸出信號(hào)和直流偏置電壓在同一信號(hào)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(hào)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(hào)輸出通過(guò)直流電壓實(shí)現(xiàn)偏置，一般等于或接近0.8 V。在設(shè)計(jì)中，該輸出信號(hào)通常會(huì)經(jīng)過(guò)交流耦合。

圖1. ECM電路連接

相對(duì)于ECM，使用MEMS麥克風(fēng)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)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(méi)有電源抑制能力，因?yàn)槠秒妷褐苯油ㄟ^(guò)電阻連接至麥克風(fēng)。

用MEMS麥克風(fēng)取代ECM時(shí)需要進(jìn)行的電路更改

對(duì)于原本圍繞ECM設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，改用MEMS麥克風(fēng)時(shí)面臨的基本難題是，電源和麥克風(fēng)輸出沒(méi)有單獨(dú)的信號(hào)，例如使用耳機(jī)式麥克風(fēng)時(shí)。如果對(duì)電路進(jìn)行一些小的更改，就可以在此類設(shè)計(jì)中使用MEMS麥克風(fēng)。首先，必須將信號(hào)鏈中直流偏置提供的下游信號(hào)與麥克風(fēng)的輸出信號(hào)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(hào)干擾電源。直流偏置的隔離可通過(guò)交流耦合電容實(shí)現(xiàn)，MEMS麥克風(fēng)的電源可通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)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(jì)中使用了ADMP504 MEMS麥克風(fēng)作為示例。其中用到了一個(gè)2.2 k 偏置電阻。

圖2. 將一根線用于電源和輸出信號(hào)的MEMS麥克風(fēng)

圖2顯示了一個(gè)實(shí)現(xiàn)上述功能的設(shè)計(jì)示例。在耳機(jī)的設(shè)計(jì)中，耳機(jī)連接器左側(cè)的電路部分將會(huì)在實(shí)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(jì)算所需的串聯(lián)電阻（R偏置 + R1），可將麥克風(fēng)建模為一個(gè)電阻，將有固定電流從中流過(guò)。VDD = 1.8 V時(shí)，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(shí)，該麥克風(fēng)可建模為一個(gè)10 k 的電阻。要求解合適的電阻R1值，所用的分壓器公式為：

［麥克風(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(gè)2.2 k 的R偏置電阻和一個(gè)499的R1電阻會(huì)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(shí)，需要進(jìn)行權(quán)衡取舍;如下所示，此值太大會(huì)導(dǎo)致VDD過(guò)小，但為了防止C2過(guò)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(huì)介紹這些區(qū)別，并根據(jù)一個(gè)簡(jiǎn)單的基于MEMS麥克風(fēng)的替換電路提供設(shè)計(jì)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(duì)電壓供電信號(hào)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(jì)為至少低于麥克風(fēng)較低轉(zhuǎn)折頻率的兩個(gè)倍頻程，這會(huì)是一個(gè)好的開(kāi)端。對(duì)于ADMP504，此轉(zhuǎn)折頻率為100 Hz。10 F的電容和499 的R1電阻可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)折頻率為31 Hz的濾波器。較大的電容或電阻會(huì)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(duì)分壓器的貢獻(xiàn)保持平衡，其中，分壓器會(huì)向麥克風(fēng)提供VDD。低通濾波器的?3 dB點(diǎn)的計(jì)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(duì)麥克風(fēng)輸出進(jìn)行交流耦合，這樣它的偏置輸出就會(huì)與通過(guò)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(huì)形成高通濾波器。計(jì)算高通濾波器轉(zhuǎn)折頻率時(shí)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(jì)算公式為

R總 =（（RMIC + R1） &TImes; R偏置）/（RMIC + R1 + R偏置）

對(duì)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(gè)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)。

結(jié)語(yǔ)

關(guān)于麥克風(fēng)的相關(guān)介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。

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