驻极体电容式麦克风的偏置电阻计算案例

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。一，计算Micbias 偏置电阻R

R=(偏置电压-micbias电压)/静态电流

1)偏置电阻计算案例：

供电2V,ECM麦克风电流500uA

偏置电阻取值，设置合适的偏置电阻，麦克风实现最大输出，需麦克风两端电压是vcc的一半。因此R=(2v-1v)/500uA=2K

麦克风的电流不可知的，以上方式根据实际测试与计算值有误差

另一种方法是在实际使用中已经知道micbias的电压按分压方法来计算：实际测试了两款ECM麦克风，通过计算得到一款-26dB内阻10.2k欧姆 一款-38dB内阻5.5K欧姆 。测量方式为麦克风正极串联上偏置电阻2.2K欧，直流电源输出2.8V电压，测得-26dB麦克风端电压2.3V，测得-38dB麦克风端电压2.0V。根据串联分压公式

麦克风正极电压=麦克风Micbias*{麦克风静态电阻/(麦克风静态电阻+偏置电阻)}

2)Micbias计算案例：

2.2K偏置电阻，2.8V供电

电流乘以电阻法可以计算得出MIC正极的电压Micbias=2.8-2.2K*500uA=1.7V

分压法麦克风内阻取值5.5K欧 计算电压2.8V*0.714=2V

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，我在之前的一篇文章《三极管放大区静态工作点设置》，就简单讲述过三极管放大区的静态工作点设置方法，其本质与MIC内部FET的工作原理相同，使FET工作于饱和区(对应三极管的线性放大区)。

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。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。

图3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，

，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。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。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，因此，R3=R6=400R，取常用值390R。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。

图4

图5ECM还有另外一种差分接法，如图6所示，参数计算方法相同。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。

图6从上述分析也可以看出，无论何种差分接法，都不算真正的差分，因为差分信号的共模电压是相同的，而上述的差分接法，P和N的共模电压是不同的。正因此，Vbias的波动会使得共模电压变化转变成差模电压，形成噪声。MIC除了差分接法外，网络上还能查到一种叫伪差分的接法，如图7所示。区别在于MIC一端接地，差分对中的一个信号外接电阻到地，该电阻需要和MIC的输出阻抗匹配。本人没有使用过该电路，所以不知实际效果如何，也不做过多介绍。

一旦声音被捕捉，驻极体电容传声器将声音转换为电信号。然而，这个电信号的幅度非常微弱。因此，需要一个FET(场效应晶体管)来放大信号，使其变得足够强大以供后续的处理和放大使用。

无线麦克风的应用

无线麦克风在现代音频应用中扮演着重要角色。它们提供了无线音频传输的便利，通常用于音乐表演、讲座、会议、电视制作等场合。与有线麦克风不同，无线麦克风消除了电缆的限制，提供了更大的移动自由度。

在一个典型的无线麦克风系统中，与无线麦克风配对的接收器接收无线电信号，并将其解调成原始声音信号，然后将其传输到音响系统或录音设备中。这使得表演者、演讲者和音乐家可以在舞台上自由移动，而不受有线连接的限制。

驻极体麦克风单端式电路设计

下面，让我们深入研究驻极体麦克风的电路设计。在单端式电路设计中，麦克风的工作电压(偏置电压)通常为2.0V，如下图所示，它通过一个串联电阻2.2K连接到麦克风的正极，而负极则直接接地(GND)。