驻极体电容式麦克风的参数规格及设计
大家好，我是记得诚。
ecm是指驻极体电容式麦克风，与mems硅麦不同，其内部结构如图1所示。
mic内部有一个充有一定电荷的膜片电容，电容其中一个极板与fet连接，由于fet的基极输入阻抗很高，可以认为电容的电荷不会消失。
膜片随着外部声压振动，使得电容两个极板之间距离发生变化，从而导致电容发生变化，从电容公式可以知道，电荷一定的情况下，当电容值发生改变时，电压也会发生变化，即fet的gs电压改变导致ds电流发生变化，电流的变化导致外部偏置电阻上的电压发生变化，从而使得mic输出端ds电压发生变化，其电压变化量和偏置电阻的电压变化量相等。
图1
上述的工作原理其实就是三极管(或mosfet)的放大用法，在实际工作中，我们使用三极管(或mosfet)多数是开关作用居多。
2. ecm参数规格
根据上述参考文章的讲解，要想mic输出电压的动态范围最大，需要合适的偏置电阻将正极+输出电压设置在vs的一半。
根据mic规格书中的电气参数可知(图2)，静态电流为500ua，因此rl=(vs-v+)/idss=(2-1)v/500ua=2k，实际选择了2.2k，相差不大。
这也是多数mic推荐的工作条件：2v偏置电压、2.2k偏置电阻。在此条件下，可以计算得出mic两端的静态电压vbias=2-2.2k*500ua=0.9v。
图2
设定好偏置电阻后，我们需要确定mic输出的交流电压，因为真正有用的声音信息包含在交流电压信号中。
根据模电mosfet交流等效模型可得，mic的交流等效电路如图3所示。
图3
由于fet的rgs很大，所以膜片电容上的电荷基本不会放电消失;由于rd相对rl很大，并联之后可以忽略rd，因此mic的交流输出电压v=gmvgs*rl，由此可知，要想获得较大的有效交流输出信号，可以增大偏置电阻rl。
增大偏置电阻，虽然会使动态范围变小，但由于mic最大的峰峰值输出电压也不会很大(详见下文)，所以除非偏置电阻设置过大不合理，一般情况也不会导致输出波形失真。
另外，从电气参数中可知该mic的灵敏度为-38db，输入的最大声压级为110db spl。从这两个参数我们可以得到mic输出的最大有效电压值。
首先，mic的灵敏度定义为：在单位声压激励下输出电压与输入声压的比值，即，给mic 1pa(94db spl声压级)的声压时，麦克风输出的电压(dbv)
可得该mic的灵敏度：
声压级以符号spl表示，其定义为将待测声压有效值p(e)与参考声压p(ref)的比值：
其中pr=2*10e-5pa。
可得该mic的最大声压：
因此该mic的最大输出有效电压值为6.32*12.59mv=79.6mv(rms)，对应的最大峰值为79.6*1.414=112mv。
因此，mic两端电压为：vbias=0.9v;vac=±0.112v。由此可知，有效电压相对较小，所以上述的增大偏置电阻牺牲一部分动态范围，以获得较大的输出电压是可行的。
3. ecm电路参数设计
ecm典型的应用电路是差分接法，如图4所示，其交流等效电路如图所示。
图4
电阻r3、r6和电容c3构成rc低通滤波，给电源micbias滤波。电阻r4和r5是mic的偏置电阻。
根据交流等效电路(图5)可知，r4+r5=rl=2.2k，得r4=r5=1.1k。
图5
假设vbias=2.4v，为了使图中红圈处点电压等于mic推荐的工作电压2v，则电阻r(=r3+r6)上的压降=2.4-2=0.4v，则r=0.4/500ua=800r，r3=r6=400r，取常用值390r。
这是理论计算值，但是很多情况下，为了获得较大的有效交流输出电压，会选择较大的偏置电阻，这可以根据实际情况进行权衡。
假设电阻r3、r6和电容c3组成的rc低通滤波截止频率为10hz，则1/(2πrc)=10，得到c3=c=20uf，取常用值22uf。c3可以等效成2个电容分别与地相连，即2个电容串联，每个电容值为2c=44uf(电容串联，电容值减小一半)。c6用于滤除差模干扰，一般取值220pf，c4和c5滤除共模干扰，一般取33pf。
电阻r1、r2，codec芯片引脚的输入阻抗rc，和隔直电容c1、c2组成高通滤波器。一般情况下芯片引脚的输入阻抗都比较大，r1和r2就可以忽略，所以很多设计都可以不用电阻r1和r2。
ecm还有另外一种差分接法，如图6所示，参数计算方法相同。
图6
其交流输出和上一种接法相同，但是这种接法有一个好处，就是mic输入到codec的静态电压不会因为vbias电压波动而受影响，其静态电压为电阻r4的压降，而mic的静态电流可以认为基本不变，因此r4的静态压降也不变。而上一种接法当vbias变化时，mic两端的静态电压会因为外部电阻的压降而发生变化，使codec误认为有mic有交流输出，形成噪声。
从上述分析也可以看出，无论何种差分接法，都不算真正的差分，因为差分信号的共模电压是相同的，而上述的差分接法，p和n的共模电压是不同的。正因此，vbias的波动会使得共模电压变化转变成差模电压，形成噪声。
mic除了差分接法外，网络上还能查到一种叫伪差分的接法，如图7所示。区别在于mic一端接地，差分对中的一个信号外接电阻到地，该电阻需要和mic的输出阻抗匹配。本人没有使用过该电路，所以不知实际效果如何，也不做过多介绍。
图7
mic除了差分接法外，常见的还有单端接法，就是文章开头所述的原理部分，不再赘述。
4. ecm电路layout注意点
以实际应用过差分接法电路为例(图8)，除了c156、c157和c153要靠近芯片引脚放置之外，其他阻容最好都靠近mic位置放置。
在有些资料中会提到，micbias相关的阻容应该靠近芯片放置，但是个人觉得这部分阻容也应该靠近mic放置，因为micbias电压是用于给mic供电工作的，同时在芯片micbias引脚位置也放置一个滤波电容c153。
差分接法要注意布线按照差分规则进行。另外，需要注意的一个点就是音频部分的地和系统地最好分开，以免受到干扰。
免动手摄影 眨眼时便按下快门
AI助力Photoshop
自带后备电源的便携显示器diy图解
掉电保护在嵌入式系统中的设计应用
5G在技术终端和业务等层面给社会带来了巨大的变化
驻极体电容式麦克风的参数规格及设计
手机信号变差了怎么办，这样设置可让信号瞬间满格
浅谈高速摄像在微通道研究中的应用
选用LCD1602作为VHDL语言编写程序时可实现哪五大主要功能？
微生物燃料电池及其应用研究进展
全球电动车累计销量预计在九月突破400万大关，中国市场的地位举足轻重
国内半导体设备发展迅猛，出货额达到45．9亿美元跃居全球第一
一种新颖的开关电源设计方法
【芒果派MangoPi MQ Quad】bash命令行美化
GPU领跑运算性能，实现高性能计算新突破
霍尼韦尔将AV8OR 软件升级至2.0 功能进一步增强
NASA表示SpaceX载人龙飞船首次载人试飞仍将按计划发射
智慧路灯怎样融合物联网技术
压缩打包机PLC数据采集远程监控系统解决方案
自动化上下料机械手臂成为锻造业的焦点
ecm是指驻极体电容式麦克风，与mems硅麦不同，其内部结构如图1所示。
mic内部有一个充有一定电荷的膜片电容，电容其中一个极板与fet连接，由于fet的基极输入阻抗很高，可以认为电容的电荷不会消失。
膜片随着外部声压振动，使得电容两个极板之间距离发生变化，从而导致电容发生变化，从电容公式可以知道，电荷一定的情况下，当电容值发生改变时，电压也会发生变化，即fet的gs电压改变导致ds电流发生变化，电流的变化导致外部偏置电阻上的电压发生变化，从而使得mic输出端ds电压发生变化，其电压变化量和偏置电阻的电压变化量相等。
图1
上述的工作原理其实就是三极管(或mosfet)的放大用法，在实际工作中，我们使用三极管(或mosfet)多数是开关作用居多。
2. ecm参数规格
根据上述参考文章的讲解，要想mic输出电压的动态范围最大，需要合适的偏置电阻将正极+输出电压设置在vs的一半。
根据mic规格书中的电气参数可知(图2)，静态电流为500ua，因此rl=(vs-v+)/idss=(2-1)v/500ua=2k，实际选择了2.2k，相差不大。
这也是多数mic推荐的工作条件：2v偏置电压、2.2k偏置电阻。在此条件下，可以计算得出mic两端的静态电压vbias=2-2.2k*500ua=0.9v。
图2
设定好偏置电阻后，我们需要确定mic输出的交流电压，因为真正有用的声音信息包含在交流电压信号中。
根据模电mosfet交流等效模型可得，mic的交流等效电路如图3所示。
图3
由于fet的rgs很大，所以膜片电容上的电荷基本不会放电消失;由于rd相对rl很大，并联之后可以忽略rd，因此mic的交流输出电压v=gmvgs*rl，由此可知，要想获得较大的有效交流输出信号，可以增大偏置电阻rl。
增大偏置电阻，虽然会使动态范围变小，但由于mic最大的峰峰值输出电压也不会很大(详见下文)，所以除非偏置电阻设置过大不合理，一般情况也不会导致输出波形失真。
另外，从电气参数中可知该mic的灵敏度为-38db，输入的最大声压级为110db spl。从这两个参数我们可以得到mic输出的最大有效电压值。
首先，mic的灵敏度定义为：在单位声压激励下输出电压与输入声压的比值，即，给mic 1pa(94db spl声压级)的声压时，麦克风输出的电压(dbv)
可得该mic的灵敏度：
声压级以符号spl表示，其定义为将待测声压有效值p(e)与参考声压p(ref)的比值：
其中pr=2*10e-5pa。
可得该mic的最大声压：
因此该mic的最大输出有效电压值为6.32*12.59mv=79.6mv(rms)，对应的最大峰值为79.6*1.414=112mv。
因此，mic两端电压为：vbias=0.9v;vac=±0.112v。由此可知，有效电压相对较小，所以上述的增大偏置电阻牺牲一部分动态范围，以获得较大的输出电压是可行的。
3. ecm电路参数设计
ecm典型的应用电路是差分接法，如图4所示，其交流等效电路如图所示。
图4
电阻r3、r6和电容c3构成rc低通滤波，给电源micbias滤波。电阻r4和r5是mic的偏置电阻。
根据交流等效电路(图5)可知，r4+r5=rl=2.2k，得r4=r5=1.1k。
图5
假设vbias=2.4v，为了使图中红圈处点电压等于mic推荐的工作电压2v，则电阻r(=r3+r6)上的压降=2.4-2=0.4v，则r=0.4/500ua=800r，r3=r6=400r，取常用值390r。
这是理论计算值，但是很多情况下，为了获得较大的有效交流输出电压，会选择较大的偏置电阻，这可以根据实际情况进行权衡。
假设电阻r3、r6和电容c3组成的rc低通滤波截止频率为10hz，则1/(2πrc)=10，得到c3=c=20uf，取常用值22uf。c3可以等效成2个电容分别与地相连，即2个电容串联，每个电容值为2c=44uf(电容串联，电容值减小一半)。c6用于滤除差模干扰，一般取值220pf，c4和c5滤除共模干扰，一般取33pf。
电阻r1、r2，codec芯片引脚的输入阻抗rc，和隔直电容c1、c2组成高通滤波器。一般情况下芯片引脚的输入阻抗都比较大，r1和r2就可以忽略，所以很多设计都可以不用电阻r1和r2。
ecm还有另外一种差分接法，如图6所示，参数计算方法相同。
图6
其交流输出和上一种接法相同，但是这种接法有一个好处，就是mic输入到codec的静态电压不会因为vbias电压波动而受影响，其静态电压为电阻r4的压降，而mic的静态电流可以认为基本不变，因此r4的静态压降也不变。而上一种接法当vbias变化时，mic两端的静态电压会因为外部电阻的压降而发生变化，使codec误认为有mic有交流输出，形成噪声。
从上述分析也可以看出，无论何种差分接法，都不算真正的差分，因为差分信号的共模电压是相同的，而上述的差分接法，p和n的共模电压是不同的。正因此，vbias的波动会使得共模电压变化转变成差模电压，形成噪声。
mic除了差分接法外，网络上还能查到一种叫伪差分的接法，如图7所示。区别在于mic一端接地，差分对中的一个信号外接电阻到地，该电阻需要和mic的输出阻抗匹配。本人没有使用过该电路，所以不知实际效果如何，也不做过多介绍。
图7
mic除了差分接法外，常见的还有单端接法，就是文章开头所述的原理部分，不再赘述。
4. ecm电路layout注意点
以实际应用过差分接法电路为例(图8)，除了c156、c157和c153要靠近芯片引脚放置之外，其他阻容最好都靠近mic位置放置。
在有些资料中会提到，micbias相关的阻容应该靠近芯片放置，但是个人觉得这部分阻容也应该靠近mic放置，因为micbias电压是用于给mic供电工作的，同时在芯片micbias引脚位置也放置一个滤波电容c153。
差分接法要注意布线按照差分规则进行。另外，需要注意的一个点就是音频部分的地和系统地最好分开，以免受到干扰。
免动手摄影 眨眼时便按下快门
AI助力Photoshop
自带后备电源的便携显示器diy图解
掉电保护在嵌入式系统中的设计应用
5G在技术终端和业务等层面给社会带来了巨大的变化
驻极体电容式麦克风的参数规格及设计
手机信号变差了怎么办，这样设置可让信号瞬间满格
浅谈高速摄像在微通道研究中的应用
选用LCD1602作为VHDL语言编写程序时可实现哪五大主要功能？
微生物燃料电池及其应用研究进展
全球电动车累计销量预计在九月突破400万大关，中国市场的地位举足轻重
国内半导体设备发展迅猛，出货额达到45．9亿美元跃居全球第一
一种新颖的开关电源设计方法
【芒果派MangoPi MQ Quad】bash命令行美化
GPU领跑运算性能，实现高性能计算新突破
霍尼韦尔将AV8OR 软件升级至2.0 功能进一步增强
NASA表示SpaceX载人龙飞船首次载人试飞仍将按计划发射
智慧路灯怎样融合物联网技术
压缩打包机PLC数据采集远程监控系统解决方案
自动化上下料机械手臂成为锻造业的焦点