駐極體麥克風（ECM）電路設計總結

1. ECM 原理

ECM 是指駐極體電容式麥克風，與 MEMS 硅麥不同，其內部結構如圖 1 所示。MIC 內部有一個充有一定電荷的膜片電容，電容其中一個極板與 FET 連接，由于 FET 的基極輸入阻抗很高，可以認為電容的電荷不會消失。膜片隨著外部聲壓振動，使得電容兩個極板之間距離發(fā)生變化，從而導致電容發(fā)生變化，從電容公式可以知道，電荷一定的情況下，當電容值發(fā)生改變時，電壓也會發(fā)生變化，即 FET 的 GS 電壓改變導致 DS 電流發(fā)生變化，電流的變化導致外部偏置電阻上的電壓發(fā)生變化，從而使得 MIC 輸出端 DS 電壓發(fā)生變化，其電壓變化量和偏置電阻的電壓變化量相等。

圖 1

上述的工作原理其實就是三極管（或 MOSFET）的放大用法，在實際工作中，我們使用三極管（或 MOSFET）多數(shù)是開關作用居多，我在之前的一篇文章《三極管放大區(qū)靜態(tài)工作點設置》，就簡單講述過三極管放大區(qū)的靜態(tài)工作點設置方法，其本質與 MIC 內部 FET 的工作原理相同，使 FET 工作于飽和區(qū)（對應三極管的線性放大區(qū)）。

2. ECM 參數(shù)規(guī)格

根據(jù)上述參考文章的講解，要想 MIC 輸出電壓的動態(tài)范圍最大，需要合適的偏置電阻將正極+輸出電壓設置在 Vs 的一半。根據(jù) MIC 規(guī)格書中的電氣參數(shù)可知（圖 2），靜態(tài)電流為 500uA，因此 RL=（Vs-V+）/Idss=（2-1）V/500uA=2K，實際選擇了 2.2K，相差不大。這也是多數(shù) MIC 推薦的工作條件：2V 偏置電壓、2.2K 偏置電阻。在此條件下，可以計算得出 MIC 兩端的靜態(tài)電壓 Vbias=2-2.2K*500uA=0.9V。

圖 2

設定好偏置電阻后，我們需要確定 MIC 輸出的交流電壓，因為真正有用的聲音信息包含在交流電壓信號中。根據(jù)模電 MOSFET 交流等效模型可得，MIC 的交流等效電路如圖 3 所示。由于 FET 的 rgs 很大，所以膜片電容上的電荷基本不會放電消失；由于 rd 相對 RL 很大，并聯(lián)之后可以忽略 rd，因此 MIC 的交流輸出電壓 V=gmVgs*RL，由此可知，要想獲得較大的有效交流輸出信號，可以增大偏置電阻 RL。增大偏置電阻，雖然會使動態(tài)范圍變小，但由于 MIC 最大的峰峰值輸出電壓也不會很大（詳見下文），所以除非偏置電阻設置過大不合理，一般情況也不會導致輸出波形失真。

圖 3

另外，從電氣參數(shù)中可知該 MIC 的靈敏度為 -38dB，輸入的最大聲壓級為 110dB SPL。從這兩個參數(shù)我們可以得到 MIC 輸出的最大有效電壓值。首先，MIC 的靈敏度定義為：在單位聲壓激勵下輸出電壓與輸入聲壓的比值，即，給 MIC 1Pa(94dB SPL 聲壓級)的聲壓時，麥克風輸出的電壓（dBV），

可得該 MIC 的靈敏度。

聲壓級以符號 SPL 表示，其定義為將待測聲壓有效值 P(e)與參考聲壓 P(ref)的比值，

Pr=2*10E-5Pa，
可得該 MIC 的最大聲壓

因此該 MIC 的最大輸出有效電壓值為 6.32*12.59mV=79.6mV（rms），對應的最大峰值為 79.6*1.414=112mV。因此，MIC 兩端電壓為：Vbias=0.9V；Vac=±0.112V。由此可知，有效電壓相對較小，所以上述的增大偏置電阻犧牲一部分動態(tài)范圍，以獲得較大的輸出電壓是可行的。

3. ECM 電路參數(shù)設計

ECM 典型的應用電路是差分接法，如圖 4 所示，其交流等效電路如圖所示。電阻 R3、R6 和電容 C3 構成 RC 低通濾波，給電源 MICBIAS 濾波。電阻 R4 和 R5 是 MIC 的偏置電阻，根據(jù)交流等效電路（圖 5）可知，R4+R5=RL=2.2K，得 R4=R5=1.1K。假設 Vbias=2.4V，為了使圖中紅圈處點電壓等于 MIC 推薦的工作電壓 2V，則電阻 R（=R3+R6）上的壓降=2.4-2=0.4V，則 R=0.4/500uA=800R，因此，R3=R6=400R，取常用值 390R。這是理論計算值，但是很多情況下，為了獲得較大的有效交流輸出電壓，會選擇較大的偏置電阻，這可以根據(jù)實際情況進行權衡。

假設電阻 R3、R6 和電容 C3 組成的 RC 低通濾波截止頻率為 10Hz，則 1/（2πRC）=10，得到 C3=C=20uF，取常用值 22uF。C3 可以等效成 2 個電容分別與地相連，即 2 個電容串聯(lián)，每個電容值為 2C=44uF（電容串聯(lián)，電容值減小一半）。C6 用于濾除差模干擾，一般取值 220pF，C4 和 C5 濾除共模干擾，一般取 33pF。

電阻 R1、R2，Codec 芯片引腳的輸入阻抗 Rc，和隔直電容 C1、C2 組成高通濾波器。一般情況下芯片引腳的輸入阻抗都比較大，R1 和 R2 就可以忽略，所以很多設計都可以不用電阻 R1 和 R2。

圖 4

圖 5

ECM 還有另外一種差分接法，如圖 6 所示，參數(shù)計算方法相同。其交流輸出和上一種接法相同，但是這種接法有一個好處，就是 MIC 輸入到 Codec 的靜態(tài)電壓不會因為 Vbias 電壓波動而受影響，其靜態(tài)電壓為電阻 R4 的壓降，而 MIC 的靜態(tài)電流可以認為基本不變，因此 R4 的靜態(tài)壓降也不變。而上一種接法當 Vbias 變化時，MIC 兩端的靜態(tài)電壓會因為外部電阻的壓降而發(fā)生變化，使 Codec 誤認為有 MIC 有交流輸出，形成噪聲。

圖 6

從上述分析也可以看出，無論何種差分接法，都不算真正的差分，因為差分信號的共模電壓是相同的，而上述的差分接法，P 和 N 的共模電壓是不同的。正因此，Vbias 的波動會使得共模電壓變化轉變成差模電壓，形成噪聲。

MIC 除了差分接法外，網(wǎng)絡上還能查到一種叫偽差分的接法，如圖 7 所示。區(qū)別在于 MIC 一端接地，差分對中的一個信號外接電阻到地，該電阻需要和 MIC 的輸出阻抗匹配。本人沒有使用過該電路，所以不知實際效果如何，也不做過多介紹。

圖 7

MIC 除了差分接法外，常見的還有單端接法，就是文章開頭所述的原理部分，不再贅述。

4. ECM 電路 Layout 注意點

以實際應用過差分接法電路為例（圖 8），除了 C156、C157 和 C153 要靠近芯片引腳放置之外，其他阻容最好都靠近 MIC 位置放置。在有些資料中會提到，MICBIAS 相關的阻容應該靠近芯片放置，但是個人覺得這部分阻容也應該靠近 MIC 放置，因為 MICBIAS 電壓是用于給 MIC 供電工作的，同時在芯片 MICBIAS 引腳位置也放置一個濾波電容 C153。差分接法要注意布線按照差分規(guī)則進行。另外，需要注意的一個點就是音頻部分的地和系統(tǒng)地最好分開，以免受到干擾。

圖 8

本文就到這里，畢竟本人非音頻專業(yè)人員，僅僅針對過往項目做了一個簡單總結，其中的謬誤或者不足，有高手看到請不吝賜教。