本文主要是關(guān)于麥克風(fēng)的相關(guān)介紹，并著重對麥克風(fēng)構(gòu)造及其偏置電路和濾波電路進(jìn)行了詳盡的闡述。

麥克風(fēng)

麥克風(fēng)，學(xué)名為傳聲器，是將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器件，由“Microphone”這個英文單詞音譯而來。也稱話筒、微音器。二十世紀(jì)，麥克風(fēng)由最初通過電阻轉(zhuǎn)換聲電發(fā)展為電感、電容式轉(zhuǎn)換，大量新的麥克風(fēng)技術(shù)逐漸發(fā)展起來，這其中包括鋁帶、動圈等麥克風(fēng)，以及當(dāng)前廣泛使用的電容麥克風(fēng)和駐極體麥克風(fēng)。

工作原理

麥克風(fēng)是由聲音的振動傳到麥克風(fēng)的振膜上，推動里邊的磁鐵形成變化的電流，這樣變化的電流送到后面的聲音處理電路進(jìn)行放大處理。聲音是奇妙的東西。我們聽到的各種不同聲音，都是由我們周圍空氣的微小壓差產(chǎn)生的。奇妙之處在于，空氣能將這些壓差如此完好、如此真實地傳輸相當(dāng)長的距離。它是由金屬隔膜連接到針上，這根針在一塊金屬箔上刮擦圖案。 當(dāng)您朝著隔膜講話時，產(chǎn)生的空氣壓差使隔膜運(yùn)動，從而使針運(yùn)動，針的運(yùn)動被記錄在金屬箔上。隨后，當(dāng)您在金屬箔上向回運(yùn)行針時，在金屬箔上刮擦產(chǎn)生的振動會使隔膜運(yùn)動，將聲音重現(xiàn)。這種純粹的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行顯示了空氣中的振動能產(chǎn)生多么大的能量！所有現(xiàn)代的麥克風(fēng)與最初的麥克風(fēng)需要完成的事情都并無二致。只不過就是以電的方式，代替了機(jī)械方式。麥克風(fēng)將空氣中的變動壓力波轉(zhuǎn)化成變動電信號。有五種常用技術(shù)用來完成此項轉(zhuǎn)化：

碳最古老最簡單的麥克風(fēng)，使用碳塵。歷史上第一部電話就使用此項技術(shù)，如今在某些電話中仍在使用。在碳塵的一側(cè)有很薄的金屬或塑料隔膜。當(dāng)聲波擊打隔膜時，它們壓縮碳塵，改變電阻。通過給碳通電，改變了的電阻會改變電流大小。有關(guān)更多信息，請參見電話工作原理。

動態(tài)動態(tài)麥克風(fēng)利用電磁效應(yīng)。當(dāng)磁體通過電線（或線圈）時，磁體在電線中感應(yīng)出電流。在動態(tài)麥克風(fēng)中，當(dāng)聲波擊打隔膜時，隔膜會移動磁體，此運(yùn)動產(chǎn)生很小的電流。

帶狀在帶狀麥克風(fēng)中，一個薄的帶狀物懸掛在磁場中。聲波會移動帶狀物，從而改變流經(jīng)它的電流。

電容器電容器麥克風(fēng)實際上是一個電容器，其中電容器的一極響應(yīng)聲波而運(yùn)動。運(yùn)動改變了電容器的電容，這些改變被放大，從而產(chǎn)生可測量的信號。電容器麥克風(fēng)通常使用一個小的電池，為電容器提供電壓。

晶體某些晶體改變形狀時會改變它們的電屬性（要了解此現(xiàn)象的一個例子，請參見石英表工作原理）。通過將隔膜連接到晶體，當(dāng)聲波擊打隔膜時，晶體將產(chǎn)生信號。

麥克風(fēng)的構(gòu)造圖解

物理中很多事物是相對可逆的，比如話筒和揚(yáng)聲器，同樣的構(gòu)造由于因果關(guān)系的互換，實現(xiàn)了形式上相對、本質(zhì)原理卻統(tǒng)一的功能。

甲圖是話筒和揚(yáng)聲器的原理圖：當(dāng)人們對著話筒講話時，聲波的振動使得金屬膜片振動，從而在音圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，實現(xiàn)了把聲音信號轉(zhuǎn)化成電信號；而揚(yáng)聲器剛好相反，當(dāng)變化的電流通過音圈時，音圈在磁場的作用下產(chǎn)生振動，從而把電信號轉(zhuǎn)化成聲音信號。前者是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，后者是電流的磁效應(yīng)。當(dāng)然二者通常是共同使用的，聲音通過話筒轉(zhuǎn)換后，經(jīng)放大電路處理由揚(yáng)聲器播放出來。

乙圖是磁帶錄音機(jī)的原理圖：錄音時，已經(jīng)被轉(zhuǎn)化成電信號的聲音，在經(jīng)過磁帶不同區(qū)域的時候，將磁帶上的磁粉磁化，不由此，磁帶記錄了聲音的變化，這一步驟屬于電流的磁效應(yīng)；放音時，磁帶經(jīng)過磁頭，在線圈中產(chǎn)生變化的感應(yīng)電流，這一步驟是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

當(dāng)然在錄音、放音過程中，合并了話筒、揚(yáng)聲器，整個錄音、放音過程中都伴隨著電流的磁效應(yīng)、電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

在現(xiàn)代社會，想要找到磁帶錄音機(jī)，估計要到舊貨市場上了，這也成為了家用電子設(shè)備發(fā)展歷史上的一筆，估計在未來很多年，能夠在博物館中看到它。

麥克風(fēng)偏置電路和濾波電路

音頻電路的ECM連接

ECM有兩根信號引線：輸出和接地。麥克風(fēng)通過輸出引腳上的直流偏置實現(xiàn)偏置。這種偏置通常通過偏置電阻提供，而且麥克風(fēng)輸出和前置放大器輸入之間的信號會經(jīng)過交流耦合。

ECM的常見用例是在手機(jī)上連接的耳機(jī)中用作內(nèi)聯(lián)式語音麥克風(fēng)。這種情況下，耳機(jī)和手機(jī)之間的連接器有四個引腳：左側(cè)音頻輸出、右側(cè)音頻輸出、麥克風(fēng)信號以及接地。在這種設(shè)計中，ECM的輸出信號和直流偏置電壓在同一信號線路中傳輸。偏置電壓源通常約為2.2 V。

MEMS麥克風(fēng)區(qū)別

模擬MEMS麥克風(fēng)的信號引腳上不使用輸入偏置電壓。但是，它是一種三端器件，有不同的引腳分別用于電源、接地和輸出。VDD引腳的供電電壓一般為 1.8至3.3 V。MEMS麥克風(fēng)的信號輸出通過直流電壓實現(xiàn)偏置，一般等于或接近0.8 V。在設(shè)計中，該輸出信號通常會經(jīng)過交流耦合。

圖1. ECM電路連接

相對于ECM，使用MEMS麥克風(fēng)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于它的電源抑制（PSR）性能更強(qiáng)。MEMS麥克風(fēng)的PSR通常至少為70 dBV，ECM卻根本沒有電源抑制能力，因為偏置電壓直接通過電阻連接至麥克風(fēng)。

用MEMS麥克風(fēng)取代ECM時需要進(jìn)行的電路更改

對于原本圍繞ECM設(shè)計的系統(tǒng)，改用MEMS麥克風(fēng)時面臨的基本難題是，電源和麥克風(fēng)輸出沒有單獨(dú)的信號，例如使用耳機(jī)式麥克風(fēng)時。如果對電路進(jìn)行一些小的更改，就可以在此類設(shè)計中使用MEMS麥克風(fēng)。首先，必須將信號鏈中直流偏置提供的下游信號與麥克風(fēng)的輸出信號隔離。其次，必須將此直流偏置用于為 MEMS麥克風(fēng)供電，而且不能讓麥克風(fēng)的輸出信號干擾電源。直流偏置的隔離可通過交流耦合電容實現(xiàn)，MEMS麥克風(fēng)的電源可通過仔細(xì)設(shè)計的電路提供，該電路充當(dāng)分壓器和低通濾波器。以下設(shè)計中使用了ADMP504 MEMS麥克風(fēng)作為示例。其中用到了一個2.2 k 偏置電阻。

圖2. 將一根線用于電源和輸出信號的MEMS麥克風(fēng)

圖2顯示了一個實現(xiàn)上述功能的設(shè)計示例。在耳機(jī)的設(shè)計中，耳機(jī)連接器左側(cè)的電路部分將會在實際耳機(jī)中，2.2 k偏置電阻和1 F交流耦合電容則在源設(shè)備（例如智能手機(jī)）中。電阻R1和R偏置形成分壓器，MEMS麥克風(fēng)將V偏置電壓降至VDD引腳的供電電壓。根據(jù)V偏置、R偏置和所需VDD電壓的值，電阻R1可能需要非常小，如下例所示。要計算所需的串聯(lián)電阻（R偏置 + R1），可將麥克風(fēng)建模為一個電阻，將有固定電流從中流過。VDD = 1.8 V時，ADMP504的典型供電電流為180 A。根據(jù)歐姆定律，VDD上的電壓為1.8 V時，該麥克風(fēng)可建模為一個10 k 的電阻。要求解合適的電阻R1值，所用的分壓器公式為：

［麥克風(fēng)VDD］ = ［偏置電壓］ &TImes;（10 k /（10 k + R1 + R偏置

根據(jù)此公式可以算出，一個2.2 k 的R偏置電阻和一個499的R1電阻會從2.2 V偏置電壓分出1.73 V到麥克風(fēng)的VDD上。在選擇R1值時，需要進(jìn)行權(quán)衡取舍;如下所示，此值太大會導(dǎo)致VDD過小，但為了防止C2過大，又不能讓此值太小。 如今MEMS麥克風(fēng)正逐漸取代音頻電路中的駐極體電容麥克風(fēng)（ECM）。ECM和MEMS這兩種麥克風(fēng)的功能相同，但各自和系統(tǒng)其余部分之間的連接卻不一樣。本應(yīng)用筆記將會介紹這些區(qū)別，并根據(jù)一個簡單的基于MEMS麥克風(fēng)的替換電路提供設(shè)計詳情。

圖3. 分壓器模型

圖3顯示了該分壓器的兩種不同模型。左側(cè)，ADMP504麥克風(fēng)建模為180 A電流源;右側(cè)，麥克風(fēng)則建模為具有1.8 V VDD的10 k 電阻。

電容C2和電阻R1形成低通濾波器，用于對電壓供電信號中輸出的麥克風(fēng)音頻進(jìn)行濾波。這種濾波器轉(zhuǎn)折頻率應(yīng)該遠(yuǎn)低于麥克風(fēng)本身的濾波器較低轉(zhuǎn)折頻率。將低通濾波器設(shè)計為至少低于麥克風(fēng)較低轉(zhuǎn)折頻率的兩個倍頻程，這會是一個好的開端。對于ADMP504，此轉(zhuǎn)折頻率為100 Hz。10 F的電容和499 的R1電阻可實現(xiàn)轉(zhuǎn)折頻率為31 Hz的濾波器。較大的電容或電阻會進(jìn)一步降低此轉(zhuǎn)折頻率，但是該濾波器的電阻大小必須與它對分壓器的貢獻(xiàn)保持平衡，其中，分壓器會向麥克風(fēng)提供VDD。低通濾波器的?3 dB點(diǎn)的計算公式如下：

f?3 dB = 1/（2π &TImes; R1 &TImes; C2）

其中：

R1為分壓器中的電阻。

C2為低通濾波器電容。

電容C1對麥克風(fēng)輸出進(jìn)行交流耦合，這樣它的偏置輸出就會與通過手機(jī)提供的麥克風(fēng)偏置電壓隔離。在給定的VDD條件下，憑借R偏置、R1和麥克風(fēng)的等效電阻，該電容還會形成高通濾波器。計算高通濾波器轉(zhuǎn)折頻率時要考慮的總電阻為與R偏置并聯(lián)的RMIC和R1的串聯(lián)電阻。此電阻的計算公式為

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

對于此處的示例，R總 = 1810 。高通濾波器轉(zhuǎn)折頻率為：

f?3 dB = 1/（2π（R總 × C1）

要讓濾波器轉(zhuǎn)折頻率至少低于ADMP504低頻滾降頻率100 Hz一個倍頻程的濾波器轉(zhuǎn)折頻率為100 Hz，C1至少應(yīng)該為1.8 F。

圖4. 采用ADMP504 MEMS麥克風(fēng)的電路

圖4顯示了一套完整的耳機(jī)電路，其中采用了ADMP504MEMS麥克風(fēng)以及合適的電阻和電容值，并以我們處理的V偏置和R偏置值為依據(jù)。

結(jié)語

關(guān)于麥克風(fēng)的相關(guān)介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。

相關(guān)閱讀推薦：自制9014麥克風(fēng)電路圖

相關(guān)閱讀推薦：詳細(xì)解析MEMS麥克風(fēng)