麦克风的偏置电路和滤波电路

电子产品中麦克风的偏置电路及滤波电路应用本文大致内容：★麦克风的构造★麦克风的偏置电路★麦克风输出信号的公式计算★麦克风滤波电路的公式计算★麦克风电路的Orcad仿真分析作者：[e-mail]部分详细资料请搜索文章：“MIC设计手册”及“浅谈MIC电路的偏置电阻”，所用模型或者文字叙述不当之处，欢迎指正。DraftPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion闲话少说，切入正题，本文让大家了解一下Microphone的构造及电路应用，再顺便复习orcad的仿真和jFET场效应管，大牛们就飘过不用看了吧。一．麦克风的构造(更多内容请参阅“MIC设计手册”一文)何谓麦克风？麦克风(集音器)就是把音源发出的声音转换成电气信号的转换器。基本原理为音波驱动麦克风的振动传感器时，在传感器的输出端会根据此振动的反应产生电气信号。声音转换成电气信号的过程如下:a.由音源发出的声音，经由空气为介质而传导。b.传导的声波会碰击麦克风的振动传感器使其振动。c.此振动会随音波传导的方向，沿着振动器轴心前、后振动。振动次数与振动距离为音波的频率与波长。也就是与声音的频率和大小成比例。d.振动传感器的振动次数与距离变化，是以不同之麦克风形式而转换成电气信号，并于输出端输出。本文所介绍为常驻电荷驻极体电容式麦克风(ECM)。所谓的驻极体电容式麦克风，就是在高分子的薄膜上聚积电荷，使其成为半永久性或临时性的电极长驻之带电体（驻极体Electrets）。利用PET薄膜与金属导电环(PolarRing)所结合制作成的振动板（Diaphragm），DraftPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion中间以环状塑料绝缘造成极小的间隙并将驻极体与振动板间维持相互平行。而在此空隙间，就会形成一种静电电场，这种驻极体与振动板之间形成的电气静电容量，会随着音波振动的强弱产生距离变化，使它的电容量产生变化，导致电压上也产生变化，构成电气讯号转换出来，使音波转换出电气信号。其模型如下：麦克风信号图一二．麦克风的偏置电路(更多内容请参阅“浅谈MIC电路的偏置电阻”一文)本文的麦克风模型，利用理想电压源，模拟麦克风工作时由于音源振动而产生的电压变化。图二是绝大部分电路中麦克风的应用电路，可以看到，麦克风在正常工作时，JFET的栅极输入电流低至fA量级(10的-15次方安培)，而漏极消耗电流却高达uA量级。JFET是利用输入电压来控制信道电流的低噪声小信号使用的半导体组件，输入阻抗非常之大，最为适用于ECM麦克风。大家可以理解为，如果不这么做，贮存在高分DraftPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion子薄膜上的聚积电荷早就应该泻漏完了。接上电源V1，电阻R1和R2，是为了给内置JFET提供正常工作所需的偏置电路(不需要构成麦克风差分输出时，R2可省略直接接地，这也能极大地提高麦克风ESD性能)。V2电压变化时，在JFET的DS通道引起电流变化，于是，R1和R2两端的电压也产生交流变动，这就是输入到芯片MIC_P和MIC_N的差分信号源。图二进一步的了解JFET知识，大家翻一翻模电的书本吧。下面给出一份麦克风参数的列表，供大家参考。图三DraftPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion三．麦克风输出信号的公式计算图二的交流电路分析可简化为如下图四，Rds为JFET等效电流源的内阻，Rchip为芯片管脚的输入阻抗。图四那么，MIC_P=-MIC_N=-((Rds/2)//(R1//(R2+Rchip)))gmVgs这里要求，R2=R3，R1=R5。通常RdsR1,则有MIC_P=-MIC_N=-(R1//(R2+Rchip))gmVgs如果RchipR1，则有MIC_P=-MIC_N=-R1gmVgs可见，MIC_P和MIC_N为一差分信号对。国内麦克风通用JFET管2SK596的夹断电压约为-0.6V，Idss大概介于200ua和800ua之间，取R1=2.2K，则MIC_P=-MIC_N=-R1gmVgsDraftPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion≌-2.2*10mV=-22mV四．麦克风滤波电路的公式计算麦克风管脚输出至芯片信号输入之间，通常由电阻电容构成无源带通滤波器。以MIC_P一路为例，主要以R1和C7构成了低通滤波器，C1和芯片管脚的输入阻抗构成了高通滤波器。滤波器的-3dB频率点计算公式如下：F_low=1/(2*Pi*2C7*((Rds/2)//R1//R后半部分阻抗))≌1/(2*Pi*2C7*R1)图五F_high=1/(2*Pi*C1*(R2+Rchip))≌1/(2*Pi*C1*Rchip)pF量级的电容，主要滤除麦克风信号传输过程中耦合到的射频干扰。有的芯片在其内部集成了相同数量级的电容，则C10和C11予以忽略。在PCB布线的过程中，R1、R5、C7、C8、C9应该放置在麦克风附近，C1、C3、C10、C11、R2、R3应该放置在芯片管脚DraftPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion附近，中间的一对麦克风信号要尽量遵守差分信号线的布线要求。五．麦克风电路的Orcad仿真分析最后介绍一下Orcad的仿真分析，估计没机会用到，和实际计算结果还算吻合，J仿真前，要找一个和实际麦克风大概相似的JFET参数，如下：.modelmic_JFETNJF(Beta=0.833mBetatce=-.5Rd=1Rs=1Lambda=4mVto=-0.6Vtotc=-2.5mIs=24.55fIsr=240.1fN=1Nr=2Xti=3Alpha=764.7uVk=267.7Cgd=8.8pM=.5Pb=1Fc=.5Cgs=4.4pKf=33.92E-18Af=1)Vto为夹断电压，Beta为Idss和Vto的比值，其它参数暂不用处理或者可以忽略。图六和图七，主要演示一下C7、C8和C2的作用类似。图八为图六和图七的仿真结果。图九和图十是常用麦克风输入电路的仿真分析。图六DraftPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion(V(MIC_P)/10mv)-20-10010图八图九DraftPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion(V(MIC_P)/10mv)-20-10010图十THEENDDraftPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion