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麦克风:用于捕捉音调的PCB上选项

来源: edn
2023-02-03
类别:技术信息
eye 15
文章创建人 拍明芯城

  在一个 11月下旬的帖子,我讨论了各种可用的麦克风选项(我引用)“就您在下一次虚拟工作会议和/或非工作时间即兴演奏中考虑使用的选项而言。当时,我还指出,“后续文章将讨论在下一个设计中将它们集成到PCB上(包括每个架构选项的优缺点)。这就是我将在这里尝试做的事情。读者“bdcst”通过他上次在评论中提交的反馈为我提供了一个很好的起点:

  布莱恩,你没有解决的一个细节是驻极体ECM元件的缺点。虽然近年来情况好多了,但它们可能会慢慢失去电量,随着时间的推移产生较低的产量。如果使驻极体长期处于高温下,则会加速这种极化电荷损失。我更喜欢利用全 48 VDC 幻象电源提供极化偏置或内置开关模式电源将输入电压提升至 48+ 伏的麦克风。一些价格较高的电容麦克风实际上使用RF偏置来提高抗噪性。

  回顾我之前的散文,虽然我没有互换使用术语“冷凝器”和“驻极体电容器”(谢天谢地,因为尽管它们是相关的,但它们是 不 同样的事情!他很到位,由于字数限制,我没有详细说明这些差异。那么,这一次的开始就和任何一次一样好。以下是摘要摘录 维基百科对电容式麦克风的描述,更广泛的麦克风条目的一部分,我建议您在时间允许的情况下检查整个部分:

  电容式麦克风...也称为电容麦克风或静电麦克风 - 电容器在历史上被称为电容。振膜充当电容器的一个板,音频振动会产生板之间距离的变化。由于板的电容与它们之间的距离成反比,因此振动会产生电容的变化。电容的这些变化用于测量音频信号。固定和可移动板的组装称为“元件”或“胶囊...该技术的固有适用性是由于入射声波必须移动的质量非常小,不像其他需要声波做更多工作的麦克风类型......电容式麦克风需要电源, 通过设备上的麦克风输入作为幻象电源或小型电池提供。电源是建立电容器板电压所必需的,也是为麦克风电子设备供电所必需的。

  您可能已经猜到了,驻极体电容是通用电容话筒概念的几种实现之一(还包括 直流偏置, 射频 和 阀门,即管子 变体)。 再次维基百科:

  驻极体麦克风是一种电容式麦克风...[其中]用于传统电容话筒的外部电荷被驻极体材料中的永久电荷所取代。驻极体是一种永久带电或极化的铁电材料。这个名字来自静电和磁铁;静电荷通过材料中静电荷的排列而嵌入驻极体中,就像永磁体通过对齐一块铁中的磁畴来制造一样......与其他电容麦克风不同,它们不需要极化电压,但通常包含一个需要电源的集成前置放大器。该前置放大器在扩声和录音室应用中经常由幻象供电。专为个人电脑设计的单声道麦克风 [编者注: 以及摄像机、智能手机和平板电脑等]...使用通常使用的 3.5 毫米插头,无需电源,用于立体声 [编者注:更准确地说,是 TRS,即尖端环套筒、插头];环不是承载第二个通道的信号,而是通过电阻器从计算机中的(通常)5 V电源传输电源。

  “驻极体”是一个我长期以来一直在抛弃的术语(以十一月的案例研究为例),但不可否认的是,我对它的含义知之甚少。我在之前的维基百科摘录中包含了这个概念的简短摘要;这 更完整的维基百科驻极体解释 如果您有兴趣了解更多信息,值得您花时间。我还在之前的摘录中简要解释了为什么使用驻极体电容麦克风仍然需要幻象电源,无论是一般背景(参考我 11 月的文章内容),还是特别参考“bdcst”的回应。也就是说,虽然他/她是正确的,但这种驻极体材料电荷损失 是 可能,问题是 如今不那么重要了 比历史上的情况(BDCST的“近年来好多了”限定词),因为技术是逐步完善的。更放心 来自维基百科:

  由于其良好的性能和易于制造,因此成本低,今天制造的绝大多数麦克风都是驻极体麦克风;一家半导体制造商估计年产量超过10亿台。它们用于许多应用,从高质量录音和领夹式(翻领式麦克风)使用到小型录音设备和电话中的内置麦克风。在MEMS麦克风普及之前,几乎所有的手机、电脑、个人数字助理和耳机麦克风都是驻极体类型......虽然驻极体传声器曾经被认为是低质量的,但现在最好的驻极体传声器在各个方面都可以与传统的电容传声器相媲美,甚至可以提供测量传声器所需的长期稳定性和超平坦响应。

  我将如此多的字数预算合理化地花在背景信息上,因为正如上一段所暗示的,至少直到最近,驻极体聚光镜还是占主导地位的类型 集成在系统设计中的PCB上:

  


  然而,现在(到早期的“在MEMS麦克风普及之前......”评论),基于MEMS的方法正在崛起,并且越来越占主导地位,特别是在空间受限的系统实现中,尽管MEMS的其他优势更广泛地证明了它们的考虑。首先,这里是MEMS(微机电系统)的概述 由维基百科提供,对于任何不熟悉大局概念的人:

  微机电系统,也称为微机电系统(或微电子和微机电系统)以及相关的微机电一体化和微系统构成了微观器件的技术,特别是那些带有运动部件的器件。它们在纳米尺度上合并为纳米机电系统(NEMS)和纳米技术。MEMS在日本也被称为微机器,在欧洲也被称为微系统技术(MST)。MEMS由尺寸在1到100微米(即0.001到0.1毫米)之间的组件组成,MEMS器件的尺寸通常从20微米到1毫米(即0.02到1.0毫米)不等,尽管排列在阵列中的组件(例如,数字微镜器件)可以超过1000毫米。2.它们通常由一个处理数据的中央单元(集成电路芯片,如微处理器)和几个与周围环境交互的组件(如微传感器)组成。

  正如前面的定义所暗示的, DLP(数字光投影) 电视、投影仪、 深度传感系统 等等,是该概念的早期大批量实现。拆开任何现代智能手机,您还会遇到许多MEMS传感器:用于确定位置,方向和运动速率的IMU(惯性测量单元),以及为识别各种环境条件而定制的传感器。这些包括加速度计、陀螺仪和磁力计(指南针),以及识别压力(高度计和气压计)、湿度(湿度)和热条件(温度)的传感器。

  你会 也 找到一个或(更有可能,对于 背景噪声抑制目的)多个基于MEMS的麦克风,您可能已经注意到在我的许多拆解中展示了这些麦克风:

  


  MEMS麦克风也称为麦克风芯片或硅麦克风。压敏膜片通过MEMS加工技术直接蚀刻到硅晶圆中,通常配有集成前置放大器。大多数MEMS麦克风都是电容麦克风设计的变体。数字MEMS麦克风在同一CMOS芯片上内置模数转换器(ADC)电路,使该芯片成为数字麦克风,因此更容易与现代数字产品集成。

  这 以前的维基百科摘要 强调了MEMS麦克风日益普及的许多基本原理,包括:

  CMOS制造基础,用于低成本以及可选的集成,不仅包括前置放大器电路,还集成了ADC,后者允许直接数字输出

  对机械冲击、长时间温度暴露和其他(但不是全部)环境异常值的耐受性相对较高,以及

  相对紧凑的外形

  也就是说,传统的电容配置在空间考虑不那么严重的独立麦克风中仍然占主导地位(至少与MEMS替代品相比,但不包括动态和其他替代品),原因如下:

  相对容易实现定向(即非全向)模式配置,例如心形指向、超心形指向、霰弹枪和双胶囊双向

  对环境灰尘和湿气的高耐受性,以及

  宽工作电压范围

  有关(驻极体和其他)传统电容式麦克风与基于 MEMS 的替代方案之间的比较的更多信息,请查看以下示例资源 谷歌搜索 引起我的注意:

  "比较 MEMS 和驻极体电容 (ECM) 麦克风“(CUI 设备)

  "MEMS 与 ECM:麦克风技术比较“(Digi-Key Electronics,同样由 CUI Devices 撰写)

  "什么是MEMS麦克风?(微机电系统)“(我的新麦克风)

  最后,我会给你留下一个预告片。我遗漏的耳塞扬声器驱动器之一 11月中旬关于该主题的文章 由于字数限制是 压电驱动器,您可能已经拥有的示例 也 在我的许多拆解中看到:

  


  我还在随后的11月底开始了对麦克风的报道,内容如下:

  我有时通常将扬声器和麦克风都称为换能器,因为它们在声波能和电能之间转换。毕竟,您也可以将无源扬声器用作动圈麦克风,尽管它不是很灵敏或频率范围。我想你也可以使用动圈麦克风作为扬声器,尽管它很容易超速和破坏它!

  即,请查看以下简介 也 在 维基百科对MEMS麦克风的定义:

  自 2010 年代以来,人们对制造压电 MEMS麦克风的兴趣和研究越来越多,这是与现有电容式 MEMS 设计相比的重大架构和材料变化。

  我不知道这种“兴趣和研究”已经进入大批量生产......不过,话又说回来,我最近才详细了解“驻极体”一词的含义!如果有任何读者可以对这个特定主题有更多的了解,我将欢迎这种见解。更一般地说,我一如既往地欢迎您在评论中对这篇文章的想法!

  —布莱恩·迪珀特 是边缘人工智能和视觉联盟的主编,BDTI的高级分析师和该公司在线通讯InsideDSP的主编.


责任编辑:David

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