麦克风的构造图解 麦克风偏置电路和滤波电路

工程师谭军 发表于 2018-09-28 08:48:28 收藏 已收藏
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麦克风的构造图解 麦克风偏置电路和滤波电路

工程师谭军 发表于 2018-09-28 08:48:28

  本文主要是关于麦克风的相关介绍,并着重对麦克风构造及其偏置电路和滤波电路进行了详尽的阐述。

  麦克风

  麦克风,学名为传声器,是将声音信号转换为电信号的能量转换器件,由“Microphone”这个英文单词音译而来。也称话筒、微音器。二十世纪,麦克风由最初通过电阻转换声电发展为电感、电容式转换,大量新的麦克风技术逐渐发展起来,这其中包括铝带、动圈等麦克风,以及当前广泛使用的电容麦克风和驻极体麦克风。

  工作原理

  麦克风是由声音的振动传到麦克风的振膜上,推动里边的磁铁形成变化的电流,这样变化的电流送到后面的声音处理电路进行放大处理。声音是奇妙的东西。我们听到的各种不同声音,都是由我们周围空气的微小压差产生的。奇妙之处在于,空气能将这些压差如此完好、如此真实地传输相当长的距离。它是由金属隔膜连接到针上,这根针在一块金属箔上刮擦图案。 当您朝着隔膜讲话时,产生的空气压差使隔膜运动,从而使针运动,针的运动被记录在金属箔上。随后,当您在金属箔上向回运行针时,在金属箔上刮擦产生的振动会使隔膜运动,将声音重现。这种纯粹的机械系统运行显示了空气中的振动能产生多么大的能量!所有现代的麦克风与最初的麦克风需要完成的事情都并无二致。只不过就是以电的方式,代替了机械方式。麦克风将空气中的变动压力波转化成变动电信号。有五种常用技术用来完成此项转化:

  碳最古老最简单的麦克风,使用碳尘。历史上第一部电话就使用此项技术,如今在某些电话中仍在使用。在碳尘的一侧有很薄的金属或塑料隔膜。当声波击打隔膜时,它们压缩碳尘,改变电阻。通过给碳通电,改变了的电阻会改变电流大小。有关更多信息,请参见电话工作原理。

  动态动态麦克风利用电磁效应。当磁体通过电线(或线圈)时,磁体在电线中感应出电流。在动态麦克风中,当声波击打隔膜时,隔膜会移动磁体,此运动产生很小的电流。

  带状在带状麦克风中,一个薄的带状物悬挂在磁场中。声波会移动带状物,从而改变流经它的电流。

  电容器电容器麦克风实际上是一个电容器,其中电容器的一极响应声波而运动。运动改变了电容器的电容,这些改变被放大,从而产生可测量的信号。电容器麦克风通常使用一个小的电池,为电容器提供电压。

  晶体某些晶体改变形状时会改变它们的电属性(要了解此现象的一个例子,请参见石英表工作原理)。通过将隔膜连接到晶体,当声波击打隔膜时,晶体将产生信号。

  麦克风的构造图解

  物理中很多事物是相对可逆的,比如话筒和扬声器,同样的构造由于因果关系的互换,实现了形式上相对、本质原理却统一的功能。

  麦克风的构造图解 麦克风偏置电路和滤波电路

  甲图是话筒和扬声器的原理图:当人们对着话筒讲话时,声波的振动使得金属膜片振动,从而在音圈中产生感应电流,实现了把声音信号转化成电信号;而扬声器刚好相反,当变化的电流通过音圈时,音圈在磁场的作用下产生振动,从而把电信号转化成声音信号。前者是电磁感应现象,后者是电流的磁效应。当然二者通常是共同使用的,声音通过话筒转换后,经放大电路处理由扬声器播放出来。

  乙图是磁带录音机的原理图:录音时,已经被转化成电信号的声音,在经过磁带不同区域的时候,将磁带上的磁粉磁化,不由此,磁带记录了声音的变化,这一步骤属于电流的磁效应;放音时,磁带经过磁头,在线圈中产生变化的感应电流,这一步骤是电磁感应现象。

  当然在录音、放音过程中,合并了话筒、扬声器,整个录音、放音过程中都伴随着电流的磁效应、电磁感应现象。

  在现代社会,想要找到磁带录音机,估计要到旧货市场上了,这也成为了家用电子设备发展历史上的一笔,估计在未来很多年,能够在博物馆中看到它。

  麦克风偏置电路和滤波电路

  音频电路的ECM连接

  ECM有两根信号引线:输出和接地。麦克风通过输出引脚上的直流偏置实现偏置。这种偏置通常通过偏置电阻提供,而且麦克风输出和前置放大器输入之间的信号会经过交流耦合。

  ECM的常见用例是在手机上连接的耳机中用作内联式语音麦克风。这种情况下,耳机和手机之间的连接器有四个引脚:左侧音频输出、右侧音频输出、麦克风信号以及接地。在这种设计中,ECM的输出信号和直流偏置电压在同一信号线路中传输。偏置电压源通常约为2.2 V。

  MEMS麦克风区别

  模拟MEMS麦克风的信号引脚上不使用输入偏置电压。但是,它是一种三端器件,有不同的引脚分别用于电源、接地和输出。VDD引脚的供电电压一般为 1.8至3.3 V。MEMS麦克风的信号输出通过直流电压实现偏置,一般等于或接近0.8 V。在设计中,该输出信号通常会经过交流耦合。

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  图1. ECM电路连接

  相对于ECM,使用MEMS麦克风的关键优势在于它的电源抑制(PSR)性能更强。MEMS麦克风的PSR通常至少为70 dBV,ECM却根本没有电源抑制能力,因为偏置电压直接通过电阻连接至麦克风。

  用MEMS麦克风取代ECM时需要进行的电路更改

  对于原本围绕ECM设计的系统,改用MEMS麦克风时面临的基本难题是,电源和麦克风输出没有单独的信号,例如使用耳机式麦克风时。如果对电路进行一些小的更改,就可以在此类设计中使用MEMS麦克风。首先,必须将信号链中直流偏置提供的下游信号与麦克风的输出信号隔离。其次,必须将此直流偏置用于为 MEMS麦克风供电,而且不能让麦克风的输出信号干扰电源。直流偏置的隔离可通过交流耦合电容实现,MEMS麦克风的电源可通过仔细设计的电路提供,该电路充当分压器和低通滤波器。以下设计中使用了ADMP504 MEMS麦克风作为示例。其中用到了一个2.2 k 偏置电阻。

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  图2. 将一根线用于电源和输出信号的MEMS麦克风

  图2显示了一个实现上述功能的设计示例。在耳机的设计中,耳机连接器左侧的电路部分将会在实际耳机中,2.2 k偏置电阻和1 F交流耦合电容则在源设备(例如智能手机)中。电阻R1和R偏置形成分压器,MEMS麦克风将V偏置电压降至VDD引脚的供电电压。根据V偏置、R偏置和所需VDD电压的值,电阻R1可能需要非常小,如下例所示。要计算所需的串联电阻(R偏置 + R1),可将麦克风建模为一个电阻,将有固定电流从中流过。VDD = 1.8 V时,ADMP504的典型供电电流为180 A。根据欧姆定律,VDD上的电压为1.8 V时,该麦克风可建模为一个10 k 的电阻。要求解合适的电阻R1值,所用的分压器公式为:

  [麦克风VDD] = [偏置电压] &TImes;(10 k /(10 k + R1 + R偏置

  根据此公式可以算出,一个2.2 k 的R偏置电阻和一个499的R1电阻会从2.2 V偏置电压分出1.73 V到麦克风的VDD上。在选择R1值时,需要进行权衡取舍;如下所示,此值太大会导致VDD过小,但为了防止C2过大,又不能让此值太小。 如今MEMS麦克风正逐渐取代音频电路中的驻极体电容麦克风(ECM)。ECM和MEMS这两种麦克风的功能相同,但各自和系统其余部分之间的连接却不一样。本应用笔记将会介绍这些区别,并根据一个简单的基于MEMS麦克风的替换电路提供设计详情。

  麦克风的构造图解 麦克风偏置电路和滤波电路

  图3. 分压器模型

  图3显示了该分压器的两种不同模型。左侧,ADMP504麦克风建模为180 A电流源;右侧,麦克风则建模为具有1.8 V VDD的10 k 电阻。

  电容C2和电阻R1形成低通滤波器,用于对电压供电信号中输出的麦克风音频进行滤波。这种滤波器转折频率应该远低于麦克风本身的滤波器较低转折频率。将低通滤波器设计为至少低于麦克风较低转折频率的两个倍频程,这会是一个好的开端。对于ADMP504,此转折频率为100 Hz。10 F的电容和499 的R1电阻可实现转折频率为31 Hz的滤波器。较大的电容或电阻会进一步降低此转折频率,但是该滤波器的电阻大小必须与它对分压器的贡献保持平衡,其中,分压器会向麦克风提供VDD。低通滤波器的−3 dB点的计算公式如下:

  f−3 dB = 1/(2π &TImes; R1 &TImes; C2)

  其中:

  R1为分压器中的电阻。

  C2为低通滤波器电容。

  电容C1对麦克风输出进行交流耦合,这样它的偏置输出就会与通过手机提供的麦克风偏置电压隔离。在给定的VDD条件下,凭借R偏置、R1和麦克风的等效电阻,该电容还会形成高通滤波器。计算高通滤波器转折频率时要考虑的总电阻为与R偏置并联的RMIC和R1的串联电阻。此电阻的计算公式为

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

  对于此处的示例,R总 = 1810 。高通滤波器转折频率为:

  f−3 dB = 1/(2π(R总 × C1)

  要让滤波器转折频率至少低于ADMP504低频滚降频率100 Hz一个倍频程的滤波器转折频率为100 Hz,C1至少应该为1.8 F。

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  图4. 采用ADMP504 MEMS麦克风的电路

  图4显示了一套完整的耳机电路,其中采用了ADMP504MEMS麦克风以及合适的电阻和电容值,并以我们处理的V偏置和R偏置值为依据。

  结语

  关于麦克风的相关介绍就到这了,如有不足之处欢迎指正。

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