本文主要是關(guān)于麥克風的相關(guān)介紹，并著重對麥克風構(gòu)造及其偏置電路和濾波電路進行了詳盡的闡述。

麥克風

麥克風，學名為傳聲器，是將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器件，由“Microphone”這個英文單詞音譯而來。也稱話筒、微音器。二十世紀，麥克風由最初通過電阻轉(zhuǎn)換聲電發(fā)展為電感、電容式轉(zhuǎn)換，大量新的麥克風技術(shù)逐漸發(fā)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。

工作原理

麥克風是由聲音的振動傳到麥克風的振膜上，推動里邊的磁鐵形成變化的電流，這樣變化的電流送到后面的聲音處理電路進行放大處理。聲音是奇妙的東西。我們聽到的各種不同聲音，都是由我們周圍空氣的微小壓差產(chǎn)生的。奇妙之處在于，空氣能將這些壓差如此完好、如此真實地傳輸相當長的距離。它是由金屬隔膜連接到針上，這根針在一塊金屬箔上刮擦圖案。 當您朝著隔膜講話時，產(chǎn)生的空氣壓差使隔膜運動，從而使針運動，針的運動被記錄在金屬箔上。隨后，當您在金屬箔上向回運行針時，在金屬箔上刮擦產(chǎn)生的振動會使隔膜運動，將聲音重現(xiàn)。這種純粹的機械系統(tǒng)運行顯示了空氣中的振動能產(chǎn)生多么大的能量！所有現(xiàn)代的麥克風與最初的麥克風需要完成的事情都并無二致。只不過就是以電的方式，代替了機械方式。麥克風將空氣中的變動壓力波轉(zhuǎn)化成變動電信號。有五種常用技術(shù)用來完成此項轉(zhuǎn)化：

碳最古老最簡單的麥克風，使用碳塵。歷史上第一部電話就使用此項技術(shù)，如今在某些電話中仍在使用。在碳塵的一側(cè)有很薄的金屬或塑料隔膜。當聲波擊打隔膜時，它們壓縮碳塵，改變電阻。通過給碳通電，改變了的電阻會改變電流大小。有關(guān)更多信息，請參見電話工作原理。

動態(tài)動態(tài)麥克風利用電磁效應。當磁體通過電線（或線圈）時，磁體在電線中感應出電流。在動態(tài)麥克風中，當聲波擊打隔膜時，隔膜會移動磁體，此運動產(chǎn)生很小的電流。

帶狀在帶狀麥克風中，一個薄的帶狀物懸掛在磁場中。聲波會移動帶狀物，從而改變流經(jīng)它的電流。

電容器電容器麥克風實際上是一個電容器，其中電容器的一極響應聲波而運動。運動改變了電容器的電容，這些改變被放大，從而產(chǎn)生可測量的信號。電容器麥克風通常使用一個小的電池，為電容器提供電壓。

晶體某些晶體改變形狀時會改變它們的電屬性（要了解此現(xiàn)象的一個例子，請參見石英表工作原理）。通過將隔膜連接到晶體，當聲波擊打隔膜時，晶體將產(chǎn)生信號。

麥克風的構(gòu)造圖解

物理中很多事物是相對可逆的，比如話筒和揚聲器，同樣的構(gòu)造由于因果關(guān)系的互換，實現(xiàn)了形式上相對、本質(zhì)原理卻統(tǒng)一的功能。

甲圖是話筒和揚聲器的原理圖：當人們對著話筒講話時，聲波的振動使得金屬膜片振動，從而在音圈中產(chǎn)生感應電流，實現(xiàn)了把聲音信號轉(zhuǎn)化成電信號；而揚聲器剛好相反，當變化的電流通過音圈時，音圈在磁場的作用下產(chǎn)生振動，從而把電信號轉(zhuǎn)化成聲音信號。前者是電磁感應現(xiàn)象，后者是電流的磁效應。當然二者通常是共同使用的，聲音通過話筒轉(zhuǎn)換后，經(jīng)放大電路處理由揚聲器播放出來。

乙圖是磁帶錄音機的原理圖：錄音時，已經(jīng)被轉(zhuǎn)化成電信號的聲音，在經(jīng)過磁帶不同區(qū)域的時候，將磁帶上的磁粉磁化，不由此，磁帶記錄了聲音的變化，這一步驟屬于電流的磁效應；放音時，磁帶經(jīng)過磁頭，在線圈中產(chǎn)生變化的感應電流，這一步驟是電磁感應現(xiàn)象。

當然在錄音、放音過程中，合并了話筒、揚聲器，整個錄音、放音過程中都伴隨著電流的磁效應、電磁感應現(xiàn)象。

在現(xiàn)代社會，想要找到磁帶錄音機，估計要到舊貨市場上了，這也成為了家用電子設(shè)備發(fā)展歷史上的一筆，估計在未來很多年，能夠在博物館中看到它。

麥克風偏置電路和濾波電路

音頻電路的ECM連接

ECM有兩根信號引線：輸出和接地。麥克風通過輸出引腳上的直流偏置實現(xiàn)偏置。這種偏置通常通過偏置電阻提供，而且麥克風輸出和前置放大器輸入之間的信號會經(jīng)過交流耦合。

ECM的常見用例是在手機上連接的耳機中用作內(nèi)聯(lián)式語音麥克風。這種情況下，耳機和手機之間的連接器有四個引腳：左側(cè)音頻輸出、右側(cè)音頻輸出、麥克風信號以及接地。在這種設(shè)計中，ECM的輸出信號和直流偏置電壓在同一信號線路中傳輸。偏置電壓源通常約為2.2 V。

MEMS麥克風區(qū)別

模擬MEMS麥克風的信號引腳上不使用輸入偏置電壓。但是，它是一種三端器件，有不同的引腳分別用于電源、接地和輸出。VDD引腳的供電電壓一般為 1.8至3.3 V。MEMS麥克風的信號輸出通過直流電壓實現(xiàn)偏置，一般等于或接近0.8 V。在設(shè)計中，該輸出信號通常會經(jīng)過交流耦合。

圖1. ECM電路連接

相對于ECM，使用MEMS麥克風的關(guān)鍵優(yōu)勢在于它的電源抑制（PSR）性能更強。MEMS麥克風的PSR通常至少為70 dBV，ECM卻根本沒有電源抑制能力，因為偏置電壓直接通過電阻連接至麥克風。

用MEMS麥克風取代ECM時需要進行的電路更改

對于原本圍繞ECM設(shè)計的系統(tǒng)，改用MEMS麥克風時面臨的基本難題是，電源和麥克風輸出沒有單獨的信號，例如使用耳機式麥克風時。如果對電路進行一些小的更改，就可以在此類設(shè)計中使用MEMS麥克風。首先，必須將信號鏈中直流偏置提供的下游信號與麥克風的輸出信號隔離。其次，必須將此直流偏置用于為 MEMS麥克風供電，而且不能讓麥克風的輸出信號干擾電源。直流偏置的隔離可通過交流耦合電容實現(xiàn)，MEMS麥克風的電源可通過仔細設(shè)計的電路提供，該電路充當分壓器和低通濾波器。以下設(shè)計中使用了ADMP504 MEMS麥克風作為示例。其中用到了一個2.2 k 偏置電阻。

圖2. 將一根線用于電源和輸出信號的MEMS麥克風

圖2顯示了一個實現(xiàn)上述功能的設(shè)計示例。在耳機的設(shè)計中，耳機連接器左側(cè)的電路部分將會在實際耳機中，2.2 k偏置電阻和1 F交流耦合電容則在源設(shè)備（例如智能手機）中。電阻R1和R偏置形成分壓器，MEMS麥克風將V偏置電壓降至VDD引腳的供電電壓。根據(jù)V偏置、R偏置和所需VDD電壓的值，電阻R1可能需要非常小，如下例所示。要計算所需的串聯(lián)電阻（R偏置 + R1），可將麥克風建模為一個電阻，將有固定電流從中流過。VDD = 1.8 V時，ADMP504的典型供電電流為180 A。根據(jù)歐姆定律，VDD上的電壓為1.8 V時，該麥克風可建模為一個10 k 的電阻。要求解合適的電阻R1值，所用的分壓器公式為：

［麥克風VDD］ = ［偏置電壓］ &TImes;（10 k /（10 k + R1 + R偏置

根據(jù)此公式可以算出，一個2.2 k 的R偏置電阻和一個499的R1電阻會從2.2 V偏置電壓分出1.73 V到麥克風的VDD上。在選擇R1值時，需要進行權(quán)衡取舍;如下所示，此值太大會導致VDD過小，但為了防止C2過大，又不能讓此值太小。 如今MEMS麥克風正逐漸取代音頻電路中的駐極體電容麥克風（ECM）。ECM和MEMS這兩種麥克風的功能相同，但各自和系統(tǒng)其余部分之間的連接卻不一樣。本應用筆記將會介紹這些區(qū)別，并根據(jù)一個簡單的基于MEMS麥克風的替換電路提供設(shè)計詳情。

圖3. 分壓器模型

圖3顯示了該分壓器的兩種不同模型。左側(cè)，ADMP504麥克風建模為180 A電流源;右側(cè)，麥克風則建模為具有1.8 V VDD的10 k 電阻。

電容C2和電阻R1形成低通濾波器，用于對電壓供電信號中輸出的麥克風音頻進行濾波。這種濾波器轉(zhuǎn)折頻率應該遠低于麥克風本身的濾波器較低轉(zhuǎn)折頻率。將低通濾波器設(shè)計為至少低于麥克風較低轉(zhuǎn)折頻率的兩個倍頻程，這會是一個好的開端。對于ADMP504，此轉(zhuǎn)折頻率為100 Hz。10 F的電容和499 的R1電阻可實現(xiàn)轉(zhuǎn)折頻率為31 Hz的濾波器。較大的電容或電阻會進一步降低此轉(zhuǎn)折頻率，但是該濾波器的電阻大小必須與它對分壓器的貢獻保持平衡，其中，分壓器會向麥克風提供VDD。低通濾波器的?3 dB點的計算公式如下：

f?3 dB = 1/（2π &TImes; R1 &TImes; C2）

其中：

R1為分壓器中的電阻。

C2為低通濾波器電容。

電容C1對麥克風輸出進行交流耦合，這樣它的偏置輸出就會與通過手機提供的麥克風偏置電壓隔離。在給定的VDD條件下，憑借R偏置、R1和麥克風的等效電阻，該電容還會形成高通濾波器。計算高通濾波器轉(zhuǎn)折頻率時要考慮的總電阻為與R偏置并聯(lián)的RMIC和R1的串聯(lián)電阻。此電阻的計算公式為

R總 =（（RMIC + R1） &TImes; R偏置）/（RMIC + R1 + R偏置）

對于此處的示例，R總 = 1810 。高通濾波器轉(zhuǎn)折頻率為：

f?3 dB = 1/（2π（R總 × C1）

要讓濾波器轉(zhuǎn)折頻率至少低于ADMP504低頻滾降頻率100 Hz一個倍頻程的濾波器轉(zhuǎn)折頻率為100 Hz，C1至少應該為1.8 F。

圖4. 采用ADMP504 MEMS麥克風的電路

圖4顯示了一套完整的耳機電路，其中采用了ADMP504MEMS麥克風以及合適的電阻和電容值，并以我們處理的V偏置和R偏置值為依據(jù)。

結(jié)語

關(guān)于麥克風的相關(guān)介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。

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