如何設計小型化超薄高信噪比駐極體麥克風(ECM)

目前市場對Φ4mm以下，厚度1.5mm以下的麥克風產品需求逐漸增加。在器件小型化需求的同時，對靈敏度和信噪比的要求卻有所提高。這對於麥克風的設計和生產帶來了較大的影響，需要對ECM的各方面進行優化設計才能實現。

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ECM信噪比由兩個方面構成，靈敏度(對應信號大小)和輸出噪聲(對應於噪聲大小)。靈敏度由聲學靈敏度和電路增益兩個方面構成。其中聲學靈敏度與ECM的振膜面積、振膜張力、極板間距、極化電位、背聲腔體積相關；電路增益與引出線寄生電容、放大器增益、放大器寄生電容等方面相關。輸出噪聲主要也是由聲學噪聲和電學噪聲兩個方面構成：聲學噪聲與極板間距、極板張力、極板面積和背聲腔體積相關；電學噪聲與放大器增益和放大器噪聲相關。

本文將主要從聲學設計和電路設計兩個方面探討對於ECM信噪比的影響；並給出了具體的設計實例。

影響ECM信噪比的聲學設計

在麥克風設計中，與聲學特性相關的設計參數包括振膜面積、振膜張力、極板間距、極化電位、背聲腔體積等方面。其中，在特定的麥克風目標產品中，當墊片寬度一定時，振膜面積基本是固定的；另外，對於高度一定的產品，其背腔聲學體積也基本固定。這樣在ECM設計中，產品的優化調節只能主要從振膜張力、墊片厚度(極板間距)、極化電位選擇等方面進行。

在麥克風設計中，振膜張力、墊片厚度、極化電位這幾個參數相互影響，並相互制約。為了得到最優的麥克風設計，需要在它們的選擇範圍中做出適當的折中。為此，首先需要清楚理解各參數之間的相互關係。

圖一給出了在保證振膜不吸合條件下，振膜最大極化電位和極板間距的關係。理想狀態下，極板的吸合電壓(振膜與背極板間電位差)和極板間距的1.5次方成正比。為保證在加工過程以及具體應用中振膜不發生吸合，需要保證膜片上所出現的最大電位小於2/3吸合電壓。在老化後，極化電位將進一步下降，並趨於穩定。

圖一 極板間距對麥克風最大極化電位的影響

圖二給出了背聲腔體積對於麥克風噪聲的影響示意圖。在小型化麥克風中，一般情況下，當背聲腔較大時(例如4015麥克風)，聲學噪聲遠遠小於電路噪聲。因此聲學噪聲在輸出噪聲中僅佔極小部分，主要輸出噪聲由電路噪聲主導。但隨著麥克風越來越薄，背聲腔體積迅速減小，聲學噪聲在麥克風輸出噪聲中的比重也迅速增加。例如在典型的3013麥克風中，背聲腔體積僅為4015麥克風的1/6到1/4。

圖二 背聲腔體積對麥克風噪聲的影響

圖三給出了振膜張力對於諧振頻率和靈敏度關係示意圖。一般而言，諧振頻率與振膜面積成反比，與振膜張力的開方成正比。而靈敏度則與振膜張力成反比。同時，當振膜張力增加時，最大極化電位也隨之增加。

圖三 振膜張力對諧振頻率和麥克風靈敏度的影響

圖四給出了極板間距對於靈敏度與諧波失真的影響關係。當麥克風的極化電位相同時，靈敏度與極板間距成反比。但當極板間距減小時，由於電容與聲壓的非線性關係而引入的二次諧波迅速上升，從而導致諧波失真特性惡化。

圖四 振膜張力對諧振頻率和麥克風靈敏度的影響

圖五給出了假設極化電位和振膜張力一定時和麥克風極板間距的優選範圍。從圖中可以看出，假設極化電位振膜張力一定，那麼以最大信噪比為優化目標的極板間距最優設計值，隨麥克風尺寸的減小而減小。而如果假設極化電位和極板間距不變，那麼以最大信噪比為優化目標的振膜張力的最優設計值，會隨麥克風尺寸的減小而增加。

圖五 假設極化電位和振膜張力一定時和麥克風極板間距的優選範圍

由於麥克風的各種聲學設計參數之間相互影響，並且同時受限於麥克風的尺寸、振膜材料、可靠性、成本、量產良品率等各個方面，因此在實際工程生產中，要得到一個優化的設計需要大量的工程實踐以及一定的理論指導。而對於特定產品而言，其聲學參數的可能變化範圍非常有限。因此，在現代駐極體麥克風的設計中，很多時候會通過更好的電學設計來得到更大的聲學優化範圍，從而得到更好的產品性能。

影響ECM信噪比的電學設計

ECM的等效電路

圖六 麥克風內部的電路等效和外部的接口電路

圖六給出了麥克風內部的電路等效圖以及由輸出負載電阻RL和輸出耦合電容Co構成的麥克風外部的接口電路。