我們在設計藍牙音箱、藍牙耳機麥克風MIC電路中經常用到拾音器(又稱咪頭,MIC,音頻采集Sensor),電路非常簡單,但是也時常會出現問題。
一、認識一下咪頭
咪頭有幾種類型呢?以咪頭工作原理來分類,目前市場上生產銷售的咪頭類型主要有:動圈式咪頭(Dynamic Micphone)、電容式咪頭(Condenser Micphone)、駐極體咪頭(Electret Condenser Micphone)和硅麥克風(MEMS Micphone)這4種咪頭類型。
1、動圈式咪頭(Dynamic Micphone)
工作原理:基本構造包含線圈、振膜、永久磁鐵三部分。當聲波進入麥克風,振膜受到聲波的壓力而產生振動,與振膜在一起的線圈則開始在磁場中移動,根據法拉第的楞次定律,線圈會產生感應電流。
咪頭特性:動圈式咪頭麥克風因含有磁鐵和線圈,不夠輕便、靈敏度較低、高低頻響應表現較差;優(yōu)點是聲音較柔潤,適合用來收錄人聲,一般應用在KTV場所等。
2、電容式咪頭(Condenser Micphone)
工作原理:根據電容兩片隔板間距離的改變來產生電壓變化。當聲波進入麥克風咪頭,振膜產生振動,使得振動膜和基板之間的距離會隨著振動而改變,于是基板間的電容會變,根據Q=C*V(電容式麥克風中電容極板的電壓會維持一個定值)得到變化的電荷量Q。
咪頭特性:靈敏度高,常用于高質量的錄音,通常應用在消費電子、錄音室等場景。
3、駐極體咪頭(Electret Condenser Micphone)
工作原理:駐極體麥克風咪頭使用了可保有永久電荷的駐極體物質,不需要再對電容供電。(若駐極體麥克風中內置放大電路,則需要供電)
咪頭特性:技術成熟、價格便宜,缺點是體積大不方便SMT,引線長造成信號衰減、生產工序多一致性較差、靈敏度不穩(wěn)定等。
4、硅咪麥克風(MEMS Micphone)
工作原理:微機電麥克風也稱麥克風芯片或硅麥克風,硅麥一般都集成了前置放大器,甚至有些硅麥會集成模擬數字轉換器,直接輸出數字信號,成為數字麥克風。
咪頭特性:能將聲音直接轉換成電能訊號、具有超高靈敏度、具有耐摔與耐沖擊的特性、體積小、重量輕、可以高溫焊接。
駐極體咪頭最為常見,性價比高,我們就以駐極體咪頭為例,講解如何設計藍牙音箱 藍牙耳機麥克風MIC電路
二、一般MIC的電路原理圖
FET:(場效應管)MIC的主要器件,起到阻抗變換和放大的作用。
C:是一個可以通過膜片震動而改變電容量的電容,聲電轉換的主要部件。
C1,C2:是為了防止射頻干擾而設置的,可以分別對兩個射頻頻段的干擾起到抑制作用。C1一般是10PF,C2一般是33PF,10PF濾波1800Mhz,33PF濾波GSM900Mhz。
注意有些MIC,內部是沒C1,C2電容,那需要在設計電路時,外部加,具體有沒有,需參考廠家給的規(guī)格書,也可以要求廠家提供帶電容的。
RL:負載電阻,它的大小決定靈敏度的高低。
VS:工作電壓,MIC提供工作電壓。
CO:隔直電容,信號輸出端。
三、由聲信號到電信號的轉換:
由靜電學可知,對于平行板電容器,有如下的關系式:
C=ε·S/L ①
即電容的容量與介質的介電常數成正比,與兩個極板的面積成正比,與兩個極板之間的距離成反比。另外,當一個電容器充有Q量的電荷,那麼電容器兩個極板要形成一定的電壓,有如下關系式;
C=Q/V ②
對于一個駐極體傳聲器,內部存在一個由振膜,墊片和極板組成的電容器,因為膜片上充有電荷,并且是一個塑料膜,因此當膜片受到聲壓強的作用,膜片要產生振動,從而改變了膜片與極板之間的距離,從而改變了電容器兩個極板之間的距離,產生了一個Δd的變化,因此由公式①可知,必然要產生一個ΔC的變化,由公式②又知,由于ΔC的變化,充電電荷又是固定不變的,因此必然產生一個ΔV的變化。
由于這個信號非常微弱,內阻非常高,不能直接使用,因此還要進行阻抗變換和放大。
FET場效應管是一個電壓控制元件,漏極的輸出電流受源極與柵極電壓的控制。由于電容器的兩個極是接到FET的S極和G極的,因此相當于FET的S極與G極之間加了一個Δv的變化量,FET的漏極電流I就產生一個ΔID的變化量,因此這個電流的變化量就在電阻RL上產生一個ΔVD的變化量,這個電壓的變化量就可以通過電容C0輸出,這個電壓的變化量是由聲壓引起的,因此整個傳聲器就完成了一個聲電的轉換過程。
三、外圍元件參數
先看咪頭規(guī)格書參數
MIC在藍牙音箱、藍牙耳機上的使用條件,其中包括工作電壓,負載電阻。另外在以下情況下還要對MIC的工作電流進行限定,藍牙音箱、藍牙耳機一般用VDDIO給MIC的供電,電壓靈活設置,一般設置為3.0V,Vd=Vsd+Id*R,
RL = (Vs- Vsd)/ Id
為了保證MIC中的FET工作在線性工作區(qū),不進入飽和區(qū),應使Vsd≥0.7V,依規(guī)格書飽和電流為500μA,?因此RL>=(3.0V- 0.7V)/ 0.5mA=4.6K,一般取值4.7K最合適。
四、電路優(yōu)化
1、性能優(yōu)化
為了更好地擾干擾能力,我們還可以加RC濾波電路
2、成本優(yōu)化
為了省成本,我們還可以省去電阻,配置里需對應配置
還有進一步省去電容, 省的元件多,當然音質、抗干擾性能也會下降。
我們可以設置內置電阻大小
當音量過小或過大,我們還可以調整MIC的模擬增益或數字增益來,獲取更好的效果。