关于麦克风的参数介绍 - 驻极体麦克风（ECM）和硅麦（MEMS）

1、麦克风的分类

1.1、动圈式麦克风（Dynamic Micphone）
原理：基本构造包含线圈、振膜、永久磁铁三部分。当声波进入麦克风，振膜受到声波的压力而产生振动，与振膜在一起的线圈则开始在磁场中移动，根据法拉第的楞次定律，线圈会产生感应电流。
特性：动圈式麦克风因含有磁铁和线圈，不够轻便、灵敏度较低、高低频响应表现较差；优点是声音较柔润，适合用来收录人声。
应用：KTV场所。
1.2、电容式麦克风（Condenser Micphone）
原理：根据电容两片隔板间距离的改变来产生电压变化。当声波进入麦克风，振膜产生振动，使得振动膜和基板之间的距离会随着振动而改变，于是基板间的电容会变，根据Q=C*V（电容式麦克风中电容极板的电压会维持一个定值）得到变化的电荷量Q。
特性：灵敏度高，常用于高质量的录音。
应用：消费电子、录音室。
1.3、铝带式麦克风（Ribbon Micphone）
原理：在磁铁两极间放入通常是铝制的波浪状金属箔带，金属薄膜受声音震动时，因电磁感应而产生信号。
1.4、碳精麦克风（Carbon Micphone）

3、麦克风的性能参数

3.1、指向性（Directivity）
指向性描述麦克风对于不同角度声音的灵敏度，规格上常用如下的polar pattern表示，在每个示意图中，虚线圆形的上方代表麦克风前方，下方代表麦克风的后方。

3.2、灵敏度级（Sensitivity）
声压：指声波通过某种媒质时，由振动产生的压强改变量。单位为Pa、μbar。1μbar=0.1Pa。
参考声压：P(ref) = 20μPa。
声压级（SPL）：

例：1Pa声压的声压级为

灵敏度：指麦克风的开路电压与作用在其膜片上的声压之比。单位为mv/pa、mv/ubar。1mv/ubar = 10mv/pa。
参考灵敏度：Mr = 1V/Pa
灵敏度级：

例：1V/Pa灵敏度的灵敏度级为

3.3、信噪比（SNR）
信号与噪声的比例。

3.4、总谐波失真（THD）
总谐波失真是指输出信号比输入信号多出的谐波成分。谐波失真是系统不是完全线性造成的。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。总谐波失真与频率有关，一般来说，1khz频率处的总谐波失真最小，因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。
公式1：

上式中，符号G表示谐波分量的有效值，它将按要求在表示电流时被I代替，在表示电压时被U代替，H的值在与限制有关的每一个标准中给出。按照上述定义，THD不包含简谐波，并且，有一固定的谐波上限。

公式2：

上式中，Q为总有效值，Q1为基波有效值，可代表电压或电流，按照上述定义，THD包含间谐波和直流分量。

3.5、等效输入噪声（EIN）
无外声场时，仅由传声器固有噪声引起的输出电压，可以看作能产生相同有效值输出电压的外部声压级。

3.6、电源抑制比（PSRR）
电源抑制比(PSRR)是输入电源变化量（以伏为单位）与转换器输出变化量（以伏为单位）的比值，常用分贝表示。

3.7、输出阻抗（Zout）

下图为某型号硅麦的性能参数

2、两种常用电容式麦克风的对比：驻极体电容麦克风（ECM）和微机电麦克风（MEMS Micphone）

2.1、驻极体电容麦克风（Electret Condenser Micphone）
原理：驻极体麦克风使用了可保有永久电荷的驻极体物质，不需要再对电容供电。（若驻极体麦克风中内置放大电路，则需要供电）
优点：技术成熟、价格便宜
缺点：体积大，不方便SMT、引线长，造成信号衰减、生产工序多，一致性差、灵敏度不稳定
2.2、微机电麦克风（MEMS Micphone）
原理：微机电麦克风也称麦克风芯片或硅麦克风，硅麦一般都集成了前置放大器，甚至有些硅麦会集成模拟数字转换器，直接输出数字信号，成为数字麦克风。
优点：体积小，可SMT、产品稳定性好
缺点：价格较高
备注：一般情况下，我们把集成了前置放大器或者模拟数字转换器的麦克风称为拾音器（pickup）。

麦克风该选MEMS还是ECM？

关键词：克风技术, MEMS, ECM, 微机电系统, 驻极体电容式, 声音, 选料

从可穿戴设备到家庭助理，越来越多的设备利用麦克风来准确采集几乎任何声音。麦克风结构中两种最常用的技术是微机电系统(MEMS) 麦克风和驻极体电容式麦克风 (ECM)，每种技术都有无数使用案例。本文将介绍这两种技术的基础知识，然后比较两者的差异，最后简单介绍每种解决方案的优势。

MEMS麦克风

MEMS麦克风的MEMS元件位于印刷电路板 (PCB) 上，并由机械盖提供保护，其外壳上开了一个小孔，以允许声音进入器件。小孔的位置决定了麦克风的类型，如果小孔位于顶盖内，则麦克风称作上置声孔麦克风，如果小孔位于PCB内，则称作下置声孔麦克风。MEMS元件通常配有一个机械振膜，以及一个装在半导体芯片上的安装结构。

图1：典型上置声孔MEMS麦克风结构。（图片来源：CUIDevices）

MEMS振膜形成一个电容器，而声压波会引起振膜运动。一般而言，MEMS麦克风包含一个第二半导体芯片，该芯片充当音频前置放大器，用于将MEMS不断变化的电容转换为电信号。如果首选模拟输出信号，则可向用户提供音频前置放大器的输出。不过，如果需要数字输出信号，则在该音频前置放大器的同一芯片上集成了一个模数转换器 (ADC)。脉冲密度调制 (PDM) 是用于MEMS麦克风数字编码的传统格式，只需一条数据线和一个时钟便可实现通信。此外，由于数据采用单比特编码，在接收器处对数字信号解码也变得更容易。

图2：左图：模拟MEMS麦克风的应用原理图。右图：数字MEMS麦克风的应用原理图（图片来源：CUI Devices）

驻极体电容式麦克风

驻极体电容式麦克风 (ECM) 的结构如图3所示。

图3：驻极体电容式麦克风的基本结构（图片来源：CUI Devices）

在ECM中，驻极体振膜是一种放置在导电板附近，具有固定表面电荷的材料，并且与MEMS麦克风一样，利用形成电介质的气隙来构造电容器。移动驻极体振膜的声压波会引起电容值变化，从而导致电容器两端的电压发生变化，ΔV= Q /ΔC（Q=固定电荷）。电容器电压的这些变化通过麦克风外壳内的JFET进行放大和缓冲。JFET通常采用共源配置设计，这种配置在外部应用电路中配有外部负载电阻和直流阻塞电容器。

图4：ECM应用原理图（图片来源：CUI Devices）

优势与取舍

在ECM或MEMS麦克风之间选择时，需要考虑许多因素。较新的MEMS麦克风技术具有诸多优势，这体现为其市场份额的迅速扩大。例如，对于为空间受限的应用寻找解决方案的设计人员而言，他们更青睐MEMS麦克风，因为这种麦克风不仅封装尺寸小，而且通过在组件内集成模拟和数字电路，缩小了PCB面积并降低了元件成本。

此外，模拟MEMS麦克风的输出阻抗相对较低，搭配数字MEMS麦克风的输出，堪称电噪声环境下的应用首选。同样，在高振动环境中使用MEMS麦克风技术，可以降低机械振动产生的令人讨厌的噪声水平。半导体结构技术配合增加的音频前置放大器，进一步增大了制造出具有紧密匹配和温度稳定性能特征的MEMS麦克风的可能性，而这种麦克风非常适合多麦克风阵列应用。在制造过程中，MEMS麦克风还可以承受回流焊温度曲线。

尽管 MEMS 麦克风日益流行，但驻极体电容式麦克风 (ECM) 仍然是各种应用的可行选择。由于许多传统设计采用的是ECM，因此继续使用ECM进行简单的设计升级，对工程师来说可能是最简单的解决方案。凭借包括电线、引脚、焊盘、SMT和弹簧触点在内的多种端接方式，ECM还为设计人员提供了更多的安装灵活性。如果存在灰尘和湿气问题，则可以轻松采用具有高侵入防护 (IP) 等级的ECM解决方案，因为ECM麦克风的物理尺寸较大。此外，在需要非均匀空间灵敏度的应用中，ECM 产品还具有单向性或消噪指向性。ECM麦克风的大范围工作电压也适用于具有松散稳压电压轨的应用。

选择合适的麦克风

最终选择哪种麦克风技术取决于项目的约束条件。MEMS麦克风因为具有众多的固有优势而日渐流行，这一事实毋庸置疑，但由于ECM产品提供了许多封装和方向性选择，因此仍有大量应用依赖ECM产品。不过除了技术选择之外，电子元件制造商CUI Devices还在不断开发和提供各种麦克风产品，为满足您的音频需求提供了更大的灵活性。

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