驻极体电容式麦克风咪头基础知识.docx
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驻极体电容式麦克风咪头基础知识
驻极体电容式麦克风(咪头)基础知识
一、咪头的定义:
:
咪头是一个声-电转换器件(也可以称为换能器或传感器),是和喇叭正好相反的一个器件(电-声)。
是声
音设备的两个终端,咪头是输入,喇叭是输岀。
咪头又名麦克风,话筒,传声器,咪胆等。
ECM(ElectretCondenserMicrophone)驻极体电容式麦克风的简称。
二、咪头的分类:
1、从工作原理上分:
炭精粒式
电磁式
电容式
驻极体电容式(以下介绍以驻极体式为主)
压电晶体式,压电陶瓷式
二氧化硅式等
2、从尺寸大小分,驻极体式又可分为若干种
①9.7系列产品①8系列产品①6系列产品
①4.5系列产品①4系列产品①3系列产品
每个系列中又有不同的高度
3、从咪头的方向性,可分为全向(无向),单向,双向(又称为消噪式)
4、从极化方式上分,振膜式,背极式,前极式
从结构上分又可以分为栅极点焊式,栅极压接式,极环连接式等
5、从对外连接方式分
普通焊点式:
L型
带PIN脚式:
P型
同心圆式:
S/A型
三、驻极体传声器的结构
以全向MIC,振膜式极环连接式为例
1、防尘网:
保护咪头,防止灰尘落到振膜上,防止外部物体刺破振膜,还有短时间的防水作用。
2、外壳:
整个咪头的支撑件,其它件封装在外壳之中,是传声器的接地点,还可以起到电磁屏蔽的作用。
3、振膜:
是一个声-电转换的主要零件,是一个绷紧的特氟珑塑料薄膜(聚氯乙烯)粘在一个金属薄圆环上,
薄膜与金属环接触的一面镀有一层很薄的金属层,薄膜可以充有电荷,也是组成一个可变电容的一个电极板,而且
是可以振动的极板。
杜邦膜:
FEP,PTFE,PFA,PET等,FEP是美国杜邦公司生产的一种特氟珑薄膜叫聚全氯乙丙烯,在驻极体传声器方面,
主要用于电荷的存贮,因为内部有很多的势阱。
PPS膜:
是一种不能存贮电荷的薄膜叫聚苯硫醚,在驻极体传声器方面,主要用于背极式和前极式的振动膜片。
4、垫片:
支撑电容两极板之间的距离,留有间隙,为振膜振动提供一个空间,从而改变电容量。
5、背极板:
电容的另一个电极,并且连接到了FET(场效应管)的G(栅)极上。
6、铜环:
连接极板与FET(场效应管)的G(栅)极,并且起到支撑作用。
7、腔体:
固定极板和极环,从而防止极板和极环对外壳短路(FET(场效应管)的S(源极),G(栅)极短路)。
8、PCB组件:
装有FET,电容等器件,同时也起到固定其它件的作用。
9、PIN:
有的传声器在PCB上带有PIN(脚),可以通过PIN与其他PCB焊接在一起,起连接另外前极式,背极式在结构上也略有不同。
四、咪头的电原理图:
FET(场效应管)MIC的主要器件,起到阻抗变换或放大的作用,
五、C;是一个可以通过膜片震动而改变电容量的电容,声电转换的主要部件。
麦克风如何消除2G通话干扰?
2G的干扰主要是217Hz的干扰,增加33pf和15pf的电容进行滤波,33pf的电容对
GSM900
C1,C2是为了防止射频干扰而设置的,可以分别对两个射频频段的干扰起到抑制作用。
RL:
负载电阻,它的大小决定灵敏度的高低。
VS:
工作电压,MIC提供工作电压
:
CO:
隔直电容,信号输出端
五、驻极体咪头的工作原理:
由静电学可知,对于平行板电容器,有如下的关系式:
C=£.S/L①即电容的容量与介质的介电常数成
正比,与两个极板的面积成正比,与两个极板之间的距离成反比。
另外,当一个电容器充有Q量的电荷,那么电容器两个极板要形成一定的电压,有如下关系式:
C=Q/V
②
对于一个驻极体咪头,内部存在一个由振膜,垫片和极板组成的电容器,因为膜片上充有电荷,并且是一个塑料膜,因此当膜片受到声压强的作用,膜片要产生振动,从而改变了膜片与极板之间的距离,从而改变了电容器两个极板之间的距离,产生了一个Ad的变化,因此由公式①可知,必然要产生一个AC的变化,由公式②又知,
由于AC的变化,充电电荷又是固定不变的,因此必然产生一个AV的变化。
这样初步完成了一个由声信号到电信号的转换。
由于这个信号非常微弱,内阻非常高,不能直接使用,因此还要进行阻抗变换和放大。
FET场效应管是一个电压控制元件,漏极的输岀电流受源极与栅极电压的控制。
由于电容器的两个极是接到FET的S极和G极的,因此相当于FET的S极与G极之间加了一个Av的变化
量,FET的漏极电流I就产生一个AID的变化量,因此这个电流的变化量就在电阻RL上产生一个AVD的变化量,
这个电压的变化量就可以通过电容C0输岀,这个电压的变化量是由声压引起的,因此整个咪头就完成了一个声
电的转换过程。
六、咪头的主要技术指标:
咪头的测试条件;MIC的使用应规定其工作电压和负载电阻,不同的使用条件,其灵敏度的大小有很大的影响
电压电阻
1、消耗电流:
即咪头的工作电流
主要是FET在VSG=0时的电流,根据FET的分档,可以做成不同工作电流的传声器。
但是对于工作电压低、
负载电阻大的情况下,对于工作电流就有严格的要求,由电原理图可知
VS=VSD+IDKRLID=(VS-VSD)/RL
式中IDFET在VSG等于零时的电流
RL为负载电阻
VSD,即FET的S与D之间的电压降
VS为标准工作电压
总的要求100gA〈IDS〈500gA
2、灵敏度:
单位声压强下所能产生电压大小的能力。
单位:
V/Pa或dBV/Pa有的公司使用是dBV/gBar
-40dBV/Pa=-60dBV/卩Bar
0dBV/Pa=1V/Pa
声压强Pa=1N/m2
3、输出阻抗:
基本相当于负载电阻RL(1-70%)之间。
4、方向性及频响特性曲线:
a、全向(无向型):
MIC的灵敏度是在相同的距离下在任何方向上相等,全向MIC的结构是PCB上全部密封,因此,声压只有从MIC的音孔进入,因此是属于压强型传声器。
频率特性图:
b、单向(心形、超心形、强心形)单向MIC具有方向性,如果MIC的音孔正对声源时为0度,那么在0度时灵敏度最高,180度时灵敏度最低,在全方位上呈心型图,单向MIC的结构与全向MIC不同,它是在PCB上
开有一些孔,声音可以从音孔和PCB的开孔进入,而且MIC的内部还装有吸音材料,因此是介于压强和压差之
间的MIC。
c、双向消噪型:
是属于压差式MIC,它与单向MIC不同之处在于内部没有吸音材料,它的方向型图是一个8字型
频率特性:
5、频率范围:
全向:
50〜12000Hz
20~16000Hz
单向:
100〜12000Hz
100~16000Hz
消噪:
100〜10000Hz
6、最大声压级:
是指
MIC的失真在3%时的声压级,声压级定义:
20卩pa=0dBSPL
MaxSPL为115dBSPLASPL声压级A为A计权
7、S/N信噪比:
即MIC的灵敏度与在相同条件下传声器本身的噪声之比,详见产品手册,噪声主要是FET
本身的噪声.
七:
MIC的测试方法
手动测试仪表-----HY系列驻极体传声器测试仪
自动测试仪器-----QY-A系列(南京千越自动化设备有限公司自主研发)驻极体传声器测试仪
1.电流的测试:
由测试仪上直接读取电流值(吩)
2.灵敏度的测试:
首先用标准话筒校准测试仪的声压级为94dB,然后把待测MIC放到已校准的声腔口上,用测试表笔
测试MIC的两个极(注意两个表笔的方向),注意MIC的工作电压和负载电阻,可以从测试仪上直接读取70HZ和1KHZ
的灵敏度.
3.方向性测试:
要在消声室内进行,B&K2012测试仪,B&K旋转台测试。
4•频响曲线的测试:
要在消声室内进行,B&K2012测试仪,B&K旋转台测试。
5.S/N的测试,首先测试MIC的灵敏度,然后在相同的条件下在消声室内测试MIC的噪声,注意最好使用干电池,
以减少因使用其它电源引起的测试误差,然后计算:
S/N=灵敏度电平/噪声电平,再用对数表示.
6.最大声压级的测试,在消声室内,用B&K2012测试仪测试,逐渐加大声压级,并观察失真值,当失真值等于3%时,
这时候的声压级就是最大声压级,记做MAXSPL。
应大于115dBSPLA
7.输岀阻抗的测试方法
将声压加到传声器上,测量其开路输出电压,然后保持声压不变,在传声器的输出端并联一个电阻箱,调整其阻值,使输出电压为开路电压的一半,此时电阻箱的阻值即为传声器的输出阻值模值。
八、关于MIC在手机的应用
手机作为语言信息传递是手机功能的一部份,对于语言信息而言,MIC是一个重要的部件,是语言信息的输入端。
(一卜结构要求方面的
1.MIC与手机的安装结构相匹配,应根据手机对MIC的预留尺寸选择MIC,(或根据MIC的系列尺寸设计手机外壳
及PCB)。
2.手机的外壳的开孔一般可以在?
0.8-?
1之间,开孔过大,不美观,开孔过小,会影响MIC的灵敏度。
MIC在手机外壳应装到底,之间不应留有间距,因为留有间距相当于在MIC底部与外壳之间形成一个空腔,会对声音的某一些频率产生共振,从而改变了MIC的频响特性。
3.在手机或座机上使用MIC时,还要防止喇叭与MIC之间通过空间,内部或外壳产生回授自激啸叫,适当选择MIC的灵敏度和调节喇叭的音量可以消除空间回授.在喇叭和MIC与外壳接触面上加减振材料,可以消除通过机壳回授,手机
内部割断音频的通道,防止声音从喇叭通过手机内部的音频通道回收到MIC。
关于手机在使用状态下啸叫的原因:
总的来说是一种闭环的自激现象,也就是说在手机使用时,从喇叭发出的信号
经过一定的衰减之后翻过来又送回到MIC,当回授的信号大于原先送入的信号时,这时音频回路的总的增益大于1时,就
产生了啸叫,,形成啸叫的途径大约又三种
(1)喇叭发出的声音经过空间从机壳的外面回授到MIC
(2)喇叭发岀的声音经过机壳的内部的声音通道或空间回授到MIC
(3)另一个途径是因为喇叭和MIC是装在同一个机壳上的,如果喇叭或MIC的减震效果不好的话,那么喇叭的振
动,通过机壳传到MIC。
另外MIC的前端如果有空腔的话,会对某一高频产生共振,从而产生高频啸叫。
解决的途径:
(1)减少喇叭与MIC之间的耦合,在允许的范围内,尽量的减少喇叭的输岀,减小MIC灵敏度,从而减少耦合
(2)在手机内部尽可能的切断声音的通路,尽可能的把喇叭与MIC进行隔离。
(3)喇叭与机壳的固定尽量加减振垫,以防引起机壳的振动
(4)MIC的前端尽可能的不要留有空间,以防高频自激
4.MIC与手机的连接。
手机与MIC的连接方式比较多,有直接焊接式:
MIC与手机直接焊接式,如P型MIC的PIN直接焊在PCB上•但要
注意焊接时间和温度,容易通过焊接使MIC损坏或性能改变,不便于维修更换MIC。
目前较少使用.压接式:
MIC与手机
的PCB通过导电橡胶或弹性金属簧片或弹性金属圆柱连接。
例如S型MIC的连接各种胶套.使用组装方便,维修方便,
但是价格较高(因为胶套较贵),有时会岀现个别接触不良现象,使用较多。
导线连接式:
用导线或FPC连接MIC和PCB,例如L型MIC通过导线或FPC连接到手机的PCB上,使用方便焊接对MIC无影响,价格合适接触良好,目前使用较多。
(二卜电气方面的要求
5.MIC在手机上的使用条件应与MIC的灵敏度测试条件相一致,其中包括工作电压,负载电阻.另外在以下情况下还要对MIC的工作电流进行限定,例如有的手机给MIC的供电电压比较低,(1V),而负载电阻又比较大(2.2K),这是因为
6.话音频率:
通常话音的频率是在300HZ-3KHZ之间,通常手机对话音要求在300HZ以下和3KHZ以上迅速衰减,MIC本身的频响是很宽的,例如从50HZ-15KHZ,可见全向MIC频响曲线,因此MIC本身无法完成这种衰减,这样选频功能必须由手机本身来完成(带通滤波器),只有正确的调试设置滤波参数.才能达到要求.
7.关于MIC在手机中的抗干扰(EMC)问题:
(1)当手机处于发射状态下,整个手机是处于手机发射的强电磁场内,因此除了手机本身的防电磁干扰之外,对于MIC
也提岀了抗电磁干扰的问题.
通常措施:
1)使用金属铝外壳起屏蔽作用.
2)PCB设计尽量加大接地面积,如同心圆式MIC,或P型MIC.
3)音孔由一个大孔改为多个小孔,
4)选用抗干扰性能好的器件,如FET
5)减少外壳与PCB的封边电阻,提高抗干扰能力.
设计上
1)采用在S-D之间并接电容的办法,根据频率的不同并接不同的电容.通常对手机使用10P,33P两个电容.分别针对
GSM手机的两个频段,即900MHZ,1800MHZ
2)必要时可以在S-G之间并一个小的电容,提高抗干扰能力.
3)有时也可以利用RC滤波器设计
(2)当MIC在用交流电源供电时,MIC还必须抗工频干扰,同样采用加强电磁屏蔽的方法来消除工频干扰
(3)MIC还必须承受静电的干扰,在±OkV,±2kv静电放电各10次,MIC能正常工作,为了提到抗静电能力,必要
时可以在FET的G..D之间加一小的电容,对G.D之间的静电起到泻放作用,在使用时,也可以在整机的PCB电路上,MIC的输岀端加一个稳压二极管,或是压敏电阻,起到对静电形成的浪涌电流的泻放作用,另外MIC的外壳应接地,可以起到对
静电的屏蔽作用。
8.手机的音频FTA七项测试(AUDIO测试)
(1)本音频测试遵循的规范为GSM11.10
(2)测试表
TESTID
DESCRIPTION
30.1
发送灵敏度、频率响应:
Sendingsensitivity/FrequencyResponse.
30.2
发送响度评定值:
Sendingloudnesssrating(SLR).
30.3
接受灵敏度、频率响应:
Receivingsensitivity/Frequency
Response.
30.4
接受响度评定值:
Receivingloudnesssrating(RLR).
30.5.1
侧音掩蔽评定值:
Sidetongmaskingrating
30.6.2
稳定度储备:
Stabilitymargin
30.7.1
发送失真:
SendingDistortion.
(3)测试结果判定
发送灵敏度、频率响应:
Sendingsensitivity/FrequencyResponse。
发送频率响应曲线在模板内
发送失真:
SendingDistortion.在发送失真线之上
发送响度评定值:
Sendingloudnesssrating(SLR).SLR=8+/-3dB
接受灵敏度、频率响应:
Receivingsensitivity/FrequencyResponse.
接受响度评定值:
Receivingloudnesssrating(RLR).
侧音掩蔽评定值:
SidetongmaskingratingSTMR=13+/-5dB
稳定度储备:
Stabilitymargin把手机打开,面朝下放置在硬的水平面上,测试过程中没有发现抖动信号的发生,通
过此项测试
(4)其中有五项与MIC有关
SLR与MIC的灵敏度有关,音频放大器有关,手机调制特性有关
Sendingsensitivity/FrequencyResponse与MIC的灵敏度,频响有关,手机的滤波器有关,加重特性有关,A/D转换器有关。
SendingDistortion与MIC的噪音有关,放大器的噪声有关,调制噪声有关,A/D转换器有关,还与MIC和整个系统的耐射频干扰能力有关。
Sidetongmaskingrating与手机的MIC,放大器,喇叭有关
Stabilitymargin与手机的接受和发射的稳定性有关
九、不同指向类型的MIC使用要求;
1.全向MIC的使用:
使用在声源与MIC之间无固定方向的情况下,要求MIC在各个方向上所接受的灵敏度都相同的情
况下,这时只要在MIC的音孔前外壳上开一个孔就可以了.例如电话手柄,手机,免提耳机等等.
2.单向MIC的使用:
:
使用在声源与MIC之间有固定方向的情况下,要求MIC在各个方向上所接受的灵敏度不相同的情况下,声源与MIC之间的夹角为0。
时MIC的灵敏度最高,180。
时最低,这时必须在MIC的音孔前后,外壳上各开一个孔就可以了例如车载电话,等等.
3.消噪MIC的使用:
使用在声源与MIC之间有固定方向的情况下,要求MIC在各个方向上所接受的灵敏度不相同的情况下,声源与MIC之间的夹角为0。
和180。
时MIC的灵敏度最高,90。
和270。
时最低,这时必须在MIC的音孔前后,外壳上各开一个孔就可以了.例如车载电话,等等.
4.在其它条件相同的情况下全向MIC的灵敏度最高,单向MIC的灵敏度较低,大约比全向MIC低大约6—8dB,而消噪
MIC的灵敏度最低,大约比全向MIC低大约10--12dB左右.
十、MIC的连接使用注意事项
1.MIC的焊接,对于L型和P型MIC的焊接,因为MIC的体积小,而且它的关键零件是塑料薄膜,耐热能力
较差,因此在焊接时要特别的小心,最好在可能的情况下加散热器,详见产品规格书。
建议电烙铁温度为①9.7的320±0'C,
①6的300±10C,每个焊接时间不大于2秒。
2.关于S型MIC与导电胶套的连接,因为MIC与PCB连接是通过导电胶套连接的,它们就有一个压力,接触
电阻,和胶套压缩量之间的关系,详见下图,胶套的压缩量大约在0。
2〜0。
3毫米之间,这时MIC的压力大约是5〜8N,
接触电阻应小于0。
1Q,所以在结构设计是应注意到这一点。
3.MIC在使用设计时要注意MIC的极性,电源的正极接MIC的D,电源的地接MIC的S极。
4.在设计PCB时,MIC的输岀与下一级之间的接线越短越好,信号线最好与一根地线并行。
如果可能的话音频信号
线的两边最好有两根地线与之平行的走线。
十一、关于传声器的发展方向
1.小型化微型化主要为一些小型设备用,目前我司最小的MIC妳X1.1的MIC,©3X1.1的MIC,
2.低噪声型,主要为一些要求低噪声的设备使用,如助听器及低噪声要求的
3•低功耗型,要求工作电流〈50A的,主要为电池供电的设备使用
4•高灵敏度的,带有IC放大功能的(大约增益15dB)
5.数字化,传声器内部带有A/D转换功能的数字化输岀。
6.能耐回流焊的MIC,因为MIC的内部的关键部件是一个塑料薄膜。
7.它不能耐高温,因此现在的MIC都不能耐波峰焊和回流焊,选用特殊的材料研制能耐回流焊的MIC,将进一步扩大
驻极体MIC的应用范围。
8.二氧化硅MIC,是另一类型的MIC,它与传统的MIC完全不同,它是由半导体技术制作的,它不但可以耐波峰焊和回流焊,而且热稳定性很好,是很有发展前途的一种产品,但目前价格较高。
七、辅料
干燥剂:
(防潮)
1•白色粉末状的干燥剂成分是生石灰CaO,吸收了水分后,部分变成了熟石灰Ca(OH)2,当然就不纯了。
2.玻璃珠状的干燥剂成分是硅胶
分子式:
mSiO2.nH2O
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