來源：電子系統(tǒng)設(shè)計 作者：josephfitzgerald

    傳統(tǒng)駐極體電容器麥克風(ecm)作為一種機電元件一直以來都用于數(shù)以十億計的手機、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備中。不過，過去50年間，ecm始終沒有什么根本性變化，而且，由于存在大量的機械和環(huán)境噪聲問題，它在新型便攜式設(shè)備中的功能性受到限制，成為音頻系統(tǒng)設(shè)計人員、機械設(shè)計人員以及制造商的關(guān)鍵“痛點”。

    本文將描述設(shè)計人員和制造商如何能夠利用基于cmos(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)mems(微機電系統(tǒng))技術(shù)的下一代麥克風來克服ecm的眾多相關(guān)問題。

    麥克風技術(shù)的演變：從ecm到硅晶技術(shù)

    傳統(tǒng)ecm是一個金屬罐，由一層可移動的永久充電振膜和一塊與之平行的剛性背板以及場效應(yīng)晶體管(fet)構(gòu)成，如圖1所示。聲波使振膜彎曲，改變振膜和背板之間的氣隙間距，從而使振膜和背板之間的電容發(fā)生改變，這種改變以電壓變化的形式輸出，可反映出進入聲波的頻率和幅度。

    圖1所示為一典型的音頻系統(tǒng)設(shè)計，其中，fet的源極接地，漏極一般通過一個2.2k的電阻偏置。

    圖1:駐極體電容器麥克風(ecm)的橫截面簡圖。

    需注意，ecm的振膜與fet的柵極相連接，如圖2所示。ecm的輸出通過一個串聯(lián)電容被ac耦合到前置放大器。這一ac耦合電容提供了一個單極高通濾波器(hpf)，有助于過濾掉可能使模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)進一步飽和的有害低頻成份。盡管ecm的輸出是單端的，為獲得最佳噪聲性能，設(shè)計人員通常通過從ecm附近的未用前置放大器輸入各產(chǎn)生一路線跡，并使兩路線跡保持平衡，再使用一個差分輸入放大器，消除了兩路線跡中的共模板級噪聲源。

    圖2:采用ecm和集成式fet的音頻系統(tǒng)的典型示意圖。

    麥克風設(shè)計的挑戰(zhàn)：減少噪聲

    頻系統(tǒng)設(shè)計人員的主要挑戰(zhàn)是在系統(tǒng)設(shè)計中使總體噪聲最低。ecm的噪聲由若干來源決定：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。

    當安置有ecm的系統(tǒng)靠近帶有功率控制的射頻發(fā)射器時，功率控制產(chǎn)生的rf信號的音頻成份可通過麥克風解調(diào)，轉(zhuǎn)換為可聞于音頻路徑的聲音信號。低功率的便攜式設(shè)備一般使用功率門限(powergating)技術(shù)，不在使用中時就關(guān)斷rf。這種門限在音頻下出現(xiàn)。

    在ecm中，由fet的高阻抗柵極來調(diào)校發(fā)射功率放大器的門限(在音頻頻段內(nèi)出現(xiàn))，并放大信號。一旦信號進入音頻頻段，就很難消除。當音頻信號產(chǎn)生可聽見的干擾(一般稱為擊穿噪聲)時，rf功率放大器的功率門限開啟。減少ecm擊穿噪聲最有效的方法是把柵極引線長度減至最短，并用一個電容來濾除手機、筆記本電腦等配備有wi-fi功能的無線系統(tǒng)中出現(xiàn)的rf干擾。這一電容應(yīng)該加在fet的漏極上，并最好位于麥克風罐內(nèi)部。該電容容值根據(jù)干擾場的載波頻率和電容的最佳衰減頻率來選擇。電容的衰減頻率可從制造商提供的規(guī)格手冊中查到。

    音頻系統(tǒng)中另一個最常見的噪聲源是電源(偏置電壓)波動。ecm是低敏感度的麥克風，輸出10mvrms數(shù)量級的很小的模擬信號。由于ecm沒有任何電源抑制(psr)能力，電源很小的波動就能引起用戶能聽到小輸出信號波動。因此，為了維持最佳信噪比，應(yīng)該采用額外的濾波元件來保持麥克風偏置電源的“干凈”。

    在音頻系統(tǒng)中使用ecm還帶來了許多機械設(shè)計和制造方面的挑戰(zhàn)。首先也是最重要的，雖然ecm一直在不斷縮小，但它已達到其尺寸極限，再進一步變小，就得付出敏感性、頻率響應(yīng)及噪聲等性能降低的代價。目前，便攜式電子設(shè)備中所用ecm的標準尺寸范圍為直徑4～6mm，高度1.0～2.0mm。

    另一項