驻极体电容麦克风驻极体话筒的电容大小了解

ECM是指驻极体电容式麦克风，与MEMS硅麦不同，其内部结构如图1所示。

MIC内部有一个充有一定电荷的膜片电容，电容其中一个极板与FET连接，由于FET的基极输入阻抗很高，可以认为电容的电荷不会消失。

膜片随着外部声压振动，使得电容两个极板之间距离发生变化，从而导致电容发生变化，从电容公式可以知道，电荷一定的情况下，当电容值发生改变时，电压也会发生变化，即FET的GS电压改变导致DS电流发生变化，电流的变化导致外部偏置电阻上的电压发生变化，从而使得MIC输出端DS电压发生变化，其电压变化量和偏置电阻的电压变化量相等。

图1

上述的工作原理其实就是三极管（或MOSFET）的放大用法，在实际工作中，我们使用三极管（或MOSFET）多数是开关作用居多。

2. ECM参数规格

根据上述参考文章的讲解，要想MIC输出电压的动态范围最大，需要合适的偏置电阻将正极+输出电压设置在Vs的一半。

根据MIC规格书中的电气参数可知（图2），静态电流为500uA，因此RL=（Vs-V+）/Idss=（2-1）V/500uA=2K，实际选择了2.2K，相差不大。

这也是多数MIC推荐的工作条件：2V偏置电压、2.2K偏置电阻。在此条件下，可以计算得出MIC两端的静态电压Vbias=2-2.2K*500uA=0.9V。

图2

设定好偏置电阻后，我们需要确定MIC输出的交流电压，因为真正有用的声音信息包含在交流电压信号中。

根据模电MOSFET交流等效模型可得，MIC的交流等效电路如图3所示。

图3

由于FET的rgs很大，所以膜片电容上的电荷基本不会放电消失；由于rd相对RL很大，并联之后可以忽略rd，

因此MIC的交流输出电压V=gmVgs*RL，由此可知，要想获得较大的有效交流输出信号，可以增大偏置电阻RL

。

增大偏置电阻，虽然会使动态范围变小，但由于MIC最大的峰峰值输出电压也不会很大（详见下文），所以除非偏置电阻设置过大不合理，一般情况也不会导致输出波形失真。

另外，从电气参数中可知该MIC的灵敏度为-38dB，输入的最大声压级为110dB SPL。从这两个参数我们可以得到MIC输出的最大有效电压值。

首先，MIC的灵敏度定义为：

在单位声压激励下输出电压与输入声压的比值

，即，给MIC 1Pa(94dB SPL声压级)的声压时，麦克风输出的电压（dBV）

可得该MIC的灵敏度：

声压级以符号SPL表示，其定义为将待测声压有效值P(e)与参考声压P(ref)的比值：

其中Pr=2*10E-5Pa。

可得该MIC的最大声压：

因此该MIC的最大输出有效电压值为6.32*12.59mV=79.6mV（rms），对应的最大峰值为79.6*1.414=112mV。

因此，MIC两端电压为：Vbias=0.9V；Vac=±0.112V。由此可知，有效电压相对较小，所以上述的增大偏置电阻牺牲一部分动态范围，以获得较大的输出电压是可行的。

3. ECM电路参数设计

ECM典型的应用电路是差分接法，如图4所示，其交流等效电路如图所示。

图4

电阻R3、R6和电容C3构成RC低通滤波，给电源MICBIAS滤波。电阻R4和R5是MIC的偏置电阻

。

根据交流等效电路（图5）可知，R4+R5=RL=2.2K，得R4=R5=1.1K。

图5

假设Vbias=2.4V，为了使图中红圈处点电压等于MIC推荐的工作电压2V，则电阻R（=R3+R6）上的压降=2.4-2=0.4V，则R=0.4/500uA=800R，R3=R6=400R，取常用值390R。

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这是理论计算值，但是很多情况下，为了获得较大的有效交流输出电压，会选择较大的偏置电阻，这可以根据实际情况进行权衡。

假设电阻R3、R6和电容C3组成的RC低通滤波截止频率为10Hz，则1/（2πRC）=10，得到C3=C=20uF，取常用值22uF。C3可以等效成2个电容分别与地相连，即2个电容串联，每个电容值为2C=44uF（电容串联，电容值减小一半）。C6用于滤除差模干扰，一般取值220pF，C4和C5滤除共模干扰，一般取33pF。

电阻R1、R2，Codec芯片引脚的输入阻抗Rc，和隔直电容C1、C2组成高通滤波器。一般情况下芯片引脚的输入阻抗都比较大，R1和R2就可以忽略，所以很多设计都可以不用电阻R1和R2。

ECM还有另外一种差分接法，如图6所示，参数计算方法相同。

图6

其交流输出和上一种接法相同，但是这种接法有一个好处，就是MIC输入到Codec的静态电压不会因为Vbias电压波动而受影响，其静态电压为电阻R4的压降，而MIC的静态电流可以认为基本不变，因此R4的静态压降也不变。而上一种接法当Vbias变化时，MIC两端的静态电压会因为外部电阻的压降而发生变化，使Codec误认为有MIC有交流输出，形成噪声。

从上述分析也可以看出，