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。這對于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。

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(對應于噪聲大小)。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于ECM信噪比的影響；并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，對于高度一定的產品，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，并相互制約。為了得到最優的麥克風設計，需要在它們的選擇范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系。

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系。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于2/3吸合電壓。在老化后，極化電位將進一步下降，并趨于穩定。

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于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)，聲學噪聲遠遠小于電路噪聲。因此聲學噪聲在輸出噪聲中僅占極小部分，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于諧振頻率和靈敏度關系示意圖。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于靈敏度與諧波失真的影響關系。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，由于電容與聲壓的非線性關系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范圍。從圖中可以看出，假設極化電位振膜張力一定，那么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，那么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范圍

由于麥克風的各種聲學設計參數之間相互影響，并且同時受限于麥克風的尺寸、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。而對于特定產品而言，其聲學參數的可能變化范圍非常有限。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范圍，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。

藍色部分標出與麥克風聲學設計相關的電學參數。其中，Ve為麥克風極化電位，也即麥克風通過極化和老化工序后，振膜與背極之間的電位差。振膜電容為振膜與背極板之間的電容。結構寄生電容Cps是指在麥克風的結構中，由于背極板、銅環、pcb引線等與放大器輸入引腳相連的導體部分對地(管殼)的寄生電容之和。

淺灰色部分標出了與麥克風接口放大器(例如JFET)相關的電學參數。其中Cpa為放大器的輸入電容；Cc為米勒寄生電容，它由兩部分寄生電容之和構成：放大器輸入和輸出引腳間的寄生電容，以及麥克風中和放大器輸入引腳相連的導體部分與麥克風輸出引腳上導體部分的計生電容；Gm為放大器的等價跨導。

在麥克風內部，往往還會并聯兩個分別為10pF和33pF的射頻去藕電容，這樣可以在手機等終端中得到較好射頻干擾抑制特性。

ECM中寄生電容的影響

在一般的麥克風設計中，米勒寄生電容Cc較小，此時放大器的輸入寄生電容和結構寄生電容對麥克風靈敏度有較大的影響。假設ECM輸入的聲壓信號使得振膜產生位移，并導致振膜和背極板之間電容量變化了 ，那么在放大器輸入引腳上的電壓信號的rms幅度Vin為：

圖七 寄生電容對麥克風靈敏度的影響

在典型的4015麥克風中，放大器的輸入寄生電容Cpa約為3.5pF左右(TF202)，此時Cpa對于靈敏度的影響不大；但是當麥克風尺寸縮小至3015時，由于Cm和Cps的減小，Cpa將會額外導致3~4dB的靈敏度下降，因此在3015麥克風中，TF202的實際電壓增益將從-2dB降低到-6dB左右，導致麥克風靈敏度和信噪比的惡化；當麥克風尺寸進一步縮小至2.5mm時，Cpa將會導致6~8dB的靈敏度惡化，從而完全無法使用。

即使選擇了較小輸入電容Cpa的麥克風放大器，例如北京卓銳微技術有限公司提供的ACT503D駐極體麥克風放大器，其Cpa約為0.1pF，在麥克風的結構設計和基板設計中仍然需要仔細考慮，才能更加充分的利用該放大器的優秀特性。例如在使用銅環接觸的4011麥克風中，假設Cm為4pF，Cps為2.2pF，采用TF252時，Cpa為3.1pF，當從TF252轉換為使用ACT503D時，雖然電路的寄生電容引入的信號衰減改善20*log10((4+2.2+3.1)/(4+2.2+0.1))，約3dB左右。但是如果進一步將銅環接觸改為銅絲點接觸并優化基板設計，減小Cps至1pF，那么還可以再增加靈敏度2dB左右，由于ACT503D的直流增益為6dB，因此最終制成的麥克風靈敏度比使用TF252要高出將近10dB，這樣就很容易實現高靈敏度的薄型麥克風產品。

在小型化麥克風中，由于背聲腔體積小，振膜面積也較小，因此其聲學靈敏度較低，需要使用較高增益的麥克風放大器來得到合適的麥克風靈敏度。在這樣的麥克風中，米勒電容的影響將會明顯出現，導致放大器的增益衰減。由于米勒電容與JFET的Crss相關，典型JFET的Crss在0.7pF~1.1pF左右，因此在小型化麥克風中，高增益JFET的使用受到極大限制。同樣的，RS908/RS916在小麥克風應用中，其實際放大倍數會急劇降低。卓銳微技術提供的ACT503D由于是采用幽靈電流輸出方式，其等價Crss小于0.05pF，因此在高增益電壓放大中有較大的優勢。

實際麥克風試裝數據

圖八中給出了使用北京卓銳微技術有限公司提供的ACT503D的一款超薄型4mm麥克風產品的投產靈敏度分布圖。從圖中可知，40+-2dB范圍內的良品率達到88%以上。表一種給出了典型的信噪比測試結果。

ACT503D在4mm超薄麥克風中的靈敏度分布

表一 ACT503D在4mm超薄麥克風中的信噪比

圖九中給出了使用ACT503D的一款3mm麥克風產品的投產靈敏度分布圖。從圖中可知，-42+-2dB范圍內的良品率達到80%以上。表二給出了典型的信噪比測試結果。

圖九 ACT503D在3mm超薄麥克風中的靈敏度分布

表二 ACT503D在3mm麥克風中的靈敏度和信噪比