1.驻极体麦克风声电转换原理
如图所示,驻极体麦克风属于电容式麦克风,背极板和振膜构成平板版电容器,背极板驻有一定量的电荷,背极板通过金属环连接到FET的栅极;振膜镀层金属,通过金属外壳连接到FET的S极;
驻极体麦克风电容器简图
由静电学可知,对于平行版电容器,由如下关系
C=ε*S/d
C:电容容量; ε:介电常数;S两极正对面积,d:两极距离
当电容器充电荷量为Q,电容器两个极之间形成的电压U,由如下关系
C=Q/U
当振膜收到声压作用时产生振动,从而改变振膜与背极板之间的距离d,于是产生了Δd的变化,由公式(1)可知,其必然产生ΔC的变化,也就是
ΔC= ε*S/Δd
由公式(2)可知,由于△C的变化量,充电电荷Q是固定不变的,因此必然产生ΔV的变化,也就是
ΔV=Q/ ΔC
这样就完成了从声信号到电信号的转换。但是这个信号非常弱,内阻非常高,不能直接使用,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(D)电流Id受源极S与栅极G之间的电压Vgs的控制;
平行板电容器的两个极是接到FET的S极和G极,因此相当于FET的S极和G极之间加了一个ΔVgs的变化量,FET的漏极电流I就产生一个ΔId的变化量,因此这个电流的变化量就在电阻RL上产生一个ΔVd的变化量,这个电压的变化量就可以通过电容C输出,这个电压的变化量是由声压引起的,因此整个麦克风传感器就完成了一个声电的转换过程,将声音信号转化为电信号输出。
ΔVgs→ ΔId→ ΔVd
ECM原理图
—声电转换:振膜,垫片背极板组成有空气间隙的平行板电容器,背极板覆膜并驻极后存储电荷,振膜振动导致电容输出变化,由声信号转变为电信号;
—阻抗变换:驻极体电容的容值很小,产生的电信号的也很小,输出阻抗就很大。为了匹配后级音频处理线路的输入阻抗,需要MIC中内置FET,实现阻抗的变换,将GΩ级转变为kΩ级。
2.驻极体麦克风输出信号分析
根据测试电路设置偏置负载电阻RL, 确定MIC输出的交流信号电压,根据FET等效模型,由于FET的Rgs很大,所以电容上的驻极电荷不会放电消失,同时Rd相对RL很大,并联后可以忽略。所以MIC输出的交流信号电压
最大交流信号幅值:
Max Vac=AOP(Pa)*0.0126V*SQRT(2) 峰值信号
同时Vac=gmVgs*RL
——0.0126v对应为-38dBV/Pa即94dBSPL
——假设给麦克风的电压Vdc=1v, 电源电压2V
——AOP 20Pa
则最大峰值输出信号Vdc+Vac=1.355v<Vs, 符合输出要求【
如果RL升高, 94dBSPL时, Vac=0.0398V 也就是 -28dB
Max Vac=1.126V AOP 20Pa计算
Vdc+Vac=2.12V>Vs,显然不成立
所以RL升高后,AOP变小,麦克风的动态范围变小。