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麥克風的核心工作原理是什么?

2020-11-29 09:47:51來源:太平洋安防網已被 0 人閱讀

內容摘要:  一切都在不知不覺之間悄悄地改變著。就連麥克風這樣一個不起眼的小零件,也正在悄無聲息地演化著。近幾年來,在手機等高端應

  一切都在不知不覺之間悄悄地改變著。就連麥克風這樣一個不起眼的小零件,也正在悄無聲息地演化著。近幾年來,在手機等高端應用中,傳統的駐極體電容麥克風正在被MEMS器件所取代。

  麥克風簡史

  麥克風 ,學名為傳聲器,由Microphone翻譯而來。傳聲器是將聲音信號轉換為電信號的能量轉換器件,也稱作話筒或微音器。

  麥克風的歷史可以追溯到19世紀末,貝爾(Alexander Graham Bell)等科學家致力于尋找更好的拾取聲音的辦法,以用于改進當時的最新發明——電話。期間他們發明了液體麥克風和碳粒麥克風,這些麥克風效果并不理想,只是勉強能夠使用。

  二十世紀,麥克風由最初通過電阻轉換聲電發展為電感、電容式轉換,大量新的麥克風技術逐漸發展起來,這其中包括鋁帶、動圈等麥克風,以及當前廣泛使用的電容麥克風和駐極體麥克風。

  駐極體麥克風

  目前市場上銷售的麥克風主要有動圈式、電容式、駐極體和最近新興的硅微傳聲器,此外還有液體傳聲器和激光傳聲器等。動圈傳聲器音質較好,但體積龐大。駐極體傳聲器體積小巧,成本低廉,在電話、手機等設備中廣泛使用。基于CMOS MEMS(Micro Electro Meganetic System,微機電系統)技術的硅麥克風體積更小,特別適合高性價比的應用。

  噪音,麥克風的難題

  作為音頻信號輸入的麥克風,一直以來受噪聲問題的困擾。

  麥克風的噪音源來自若干個方面:偏置電壓波動引起的電子噪聲,FET噪聲,板級噪聲,振膜的聲音自噪聲,以及被耦合到FET的高阻抗輸入的外部電磁(EM)場和射頻(RF)場。詳述如下:

  (1)當安置有ECM(Electret Condenser Microphone,駐極體電容麥克風)的系統靠近帶有功率控制的射頻發射器時(譬如手機),功率控制產生的RF信號的音頻成份可通過麥克風解調,并轉換為可聞于音頻路徑的聲音信號。

  (2)ECM信號放大電路中由FET的高阻抗柵極來調校發射功率放大器的門限(在音頻頻段內出現)并放大信號。這種信號一旦進入音頻頻段,是很難消除的。

  (3)電源電壓波動也是音頻系統中最常見的噪音源。作為低敏感度的ECM,它的輸出是一個10mVrms數量級的很小的模擬信號。由于ECM沒有任何電源抑制能力,很小的電源電壓波動就將導致間歇性噪音。

  (4)ECM還帶來了機械設計方面的挑戰。因為ECM不僅能夠檢測聲音信號,還能檢測出機械振動,并最終把振動轉換為低頻聲音信號,這樣,當ECM被置于振動環境(比如安裝在電風扇或大型喇叭附近的電路板上)時,振動將成為音頻系統的主要噪音源。

  MEMS麥克風的優勢

  MEMS麥克風是利用硅薄膜來檢測聲壓的,MEMS麥克風能夠在芯片上集成一個模數轉換器,形成具有數字輸出的麥克風。由于大多數便攜式應用最終都會把麥克風的模擬輸出轉換為數字信號來處理,因此系統架構可以設計成完全數字式的。這樣一來,就從電路板上去掉了很容易產生噪音的模擬信號,并簡化了總體設計。

  貼片式封裝的MEMS麥克風

  與傳統的ECM麥克風相比,MEMS麥克風具有以下優勢:

  1、制作工藝具有很好的重復性和一致性,從而保證每顆硅麥克風有相同的優秀表現。

  2、聲壓電平高,且芯片內部一般有預放大電路,因此靈敏度很高。

  3、頻響范圍寬:100~10KHZ

  4、失真小:THD<1%(at 1KHZ,500mV p-p)(Total Harmonic Distortion,總諧波失真)

  5、振動敏感度低:<1dB

  6、優異的抗EMI和RFI特性

  7、電流消耗低:150µA

  8、耐潮濕環境和溫度沖擊。

  9、耐高溫,能夠使用波峰焊。

  10、能夠經受振動、跌落、撞擊等機械力和溫度沖擊。

  MEMS麥克風具有半導體產品的種種優點,解決了ECM所無法解決的許多困難。其中最為重要的一個特性是,MEMS麥克風容易實現數字化,從而削除了傳輸噪音。MEMS麥克風用途廣泛,目前主要應用在手機中,數碼相機、MP3播放器和PDA、耳機和助聽器等領域也正在從ECM向MEMS過渡。

  MEMS麥克風市場潛力巨大。據information Network的研究報告,MEMS麥克風在2005年時只能取得5%的整體市場率,但到2008年,預計在30億支麥克風市場中MEMS產品占據15%,復合成長率達240%。因此,世界上很多國家和地區都投入到新一輪競爭之中,美國Knowles Acoustics(樓氏聲學)的MEMS麥克風自2003年面世以來,已經銷售了數億片,占據了全球MEMS麥克風市場95%的份額。

  樓氏聲學公司出品的SiSonic貼片式MEMS麥克風

  我國臺灣也有意急起直追,包括臺灣“工研院電子所”、美律、亞太優勢、探微、日月光、菱生、矽品、天瀚等20余家揚聲器、麥克風和其它電聲器件廠商,共同成立了“微電聲產業聯盟”,以整合上、中、下游廠商,建立從電聲器件設計、器件制作/代工、器件封裝至系統模塊的完整產業鏈。

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TAG:麥克風
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