麦克风的构造图解 麦克风偏置电路和滤波电路

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。

相关阅读推荐：自制9014麦克风电路图

相关阅读推荐：详细解析MEMS麦克风