摘 要：本文聚焦于駐極體麥克風(fēng)的應(yīng)用研究，深入剖析駐極體麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。針對實際應(yīng)用中普遍存在的電流聲、“POP”噪聲以及錄音音量不足等問題，進(jìn)行了深入分析。通過理論分析、試驗測量與仿真驗證相結(jié)合的方法探索問題成因，提出針對性的解決方案，優(yōu)化駐極體麥克風(fēng)的性能和效果。本文不僅豐富了駐極體麥克風(fēng)的理論體系，還在實際應(yīng)用中提供了有益的參考與指導(dǎo)，對相關(guān)工程應(yīng)用具有一定借鑒意義，有助于推動駐極體麥克風(fēng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與完善。

關(guān)鍵詞：駐極體；音頻技術(shù)；電流聲；“POP”噪聲；錄音音量

中圖分類號：TN 64" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

麥克風(fēng)是一種聲電轉(zhuǎn)化器件，在現(xiàn)代通信、錄音和演講等領(lǐng)域中具有重要左右。根據(jù)工作原理的不同，麥克風(fēng)可分為動圈式、壓電式、炭精粒式和駐極體式等類型。而目前市面上絕大多數(shù)消費(fèi)類麥克風(fēng)都是駐極體式的。

駐極體式麥克風(fēng)利用了電容變化的原理，將聲音轉(zhuǎn)化為電信號，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的優(yōu)點(diǎn)，因此在消費(fèi)類產(chǎn)品中具有廣泛應(yīng)用。然而在使用過程中，駐極體麥克風(fēng)也存在一些問題，需要引起重視，例如電流聲、“POP”噪聲和錄音音量偏小等問題。本文從駐極體麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)和工作原理出發(fā)，對這些問題進(jìn)行了深入分析，并提出了有效解決方法。對于電流聲問題，提出了優(yōu)化電網(wǎng)接地環(huán)境和采用對稱性線纜2種解決方案；對于“POP”噪聲問題，其關(guān)鍵是精確選擇增益電阻、輸入電容和旁路電容；對于錄音音量不足問題，可以通過增大偏置電壓或負(fù)載電阻進(jìn)行改進(jìn)。

綜上所述，雖然駐極體麥克風(fēng)在價格和結(jié)構(gòu)上具有一定優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中也存在一些制約因素。為了進(jìn)一步提升麥克風(fēng)的性能和穩(wěn)定性，需要對這些問題進(jìn)行深入研究和改進(jìn)。

1 駐極體麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)和原理

駐極體麥克風(fēng)是一種特殊的電容式麥克風(fēng)，具有聲電轉(zhuǎn)換和阻抗變換的功能。其基本結(jié)構(gòu)包括單面涂有金屬的駐極體薄膜和上面有小孔的金屬電極（背電極）。駐極體薄膜與背電極間留有微小的空氣隙，形成一個電容器結(jié)構(gòu)，用于聲音信號轉(zhuǎn)換。

由于駐極體薄膜上分布自由電荷，當(dāng)聲波引起駐極體薄膜振動時，電容兩極板間的距離發(fā)生變化，導(dǎo)致電容的容量發(fā)生變化，而駐極體上的電荷保持恒定。根據(jù)電容、電壓和電量三者的關(guān)系式Q=CU，在電荷Q恒定的情況下，電容值C與電容兩端電壓U成反比關(guān)系。因此，C的變化會引起U的變化，即轉(zhuǎn)化為變化的電信號，實現(xiàn)聲音到電信號的轉(zhuǎn)換。

駐極體膜片與金屬極板間的電容量較低，通常僅為數(shù)十皮法。電容阻抗的計算法則決定了其輸出阻抗值相當(dāng)高，超過幾十兆歐。為實現(xiàn)與音頻放大器的阻抗匹配，本文引入一個結(jié)型場效應(yīng)晶體管（FET）。然而FET是一種有源器件，在放大狀態(tài)下工作需要特定的偏置電壓和電流支持。因此，在駐極體電容式麥克風(fēng)運(yùn)作過程中，需要為其額外提供直流工作電壓以滿足其工作要求。

常見的駐極體麥克風(fēng)等效原理圖如圖1所示（虛線框部分為麥克風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，其余部分為相應(yīng)的主板電路）。

從圖1可知，駐極體麥克風(fēng)主要由FET共源放大電路構(gòu)成。當(dāng)駐極體膜片受聲壓作用改變電容C，從而在電容上產(chǎn)生微小電壓變化ΔV時，相當(dāng)于FET的G和S間加了一個ΔV，進(jìn)而FET的漏極電流就產(chǎn)生一個變化量ΔID。該電流變化量通過負(fù)載RL轉(zhuǎn)化為電壓變化量ΔVD，最后通過Co隔直后輸出。由于ΔVD=ΔID·RL，因此RL的大小會影響輸出電壓幅度，即影響靈敏度[1-2]。

2 相關(guān)問題分析

2.1 電流聲問題

采用駐極體麥克風(fēng)進(jìn)行錄音時，經(jīng)常能聽到“嗡嗡”的背景噪聲。分析錄音音頻分可發(fā)現(xiàn)噪聲頻率為50Hz正弦波，與電網(wǎng)的工頻吻合，可以判斷為該噪聲就是來自電網(wǎng)工頻的電流聲。

2.1.1 電流聲來源分析

電流聲來源示意圖如圖2所示。在設(shè)備電源接地不良的情況下，在Y電容或分布電容的作用下，設(shè)備GND上有來自110V/50Hz的電壓干擾。相對于大地，系統(tǒng)中任何一個信號或電源都受此干擾。

該電壓干擾是共模噪聲，需要向大地回流。無地線時，一部分電流通過麥克風(fēng)和大地間的分布電容回流。如果麥克風(fēng)采用非對稱性線纜，那么MIC信號和GND信號對大地的分布電容不同，50Hz噪聲回流時就會在二者間形成微弱的噪聲電壓，而且分布電容差異越大，噪聲也越大。該噪聲再經(jīng)過麥克風(fēng)內(nèi)部電路的放大，便產(chǎn)生明顯的“嗡嗡”的電流聲。

2.1.2 改進(jìn)電流聲的方法

經(jīng)過以上分析和試驗驗證，可以從以下2方面改進(jìn)電流聲問題。1）優(yōu)化電網(wǎng)接地環(huán)境，并將設(shè)備電源更換為三芯插頭，以便給工頻噪聲提供回路，使其及時導(dǎo)向大地，從根本上降低電流聲。2）麥克風(fēng)的MIC和GND信號連接采用對稱性線纜，減少二者對地分布電容的差異，也可對電流聲產(chǎn)生抑制作用。

在實際測試中采取以上2種措施，電流聲得到明顯抑制，并且在不同的電網(wǎng)接地環(huán)境下和不同品牌的駐極體麥克風(fēng)應(yīng)用中均取得良好效果。

2.2 “POP”噪聲問題

“POP”噪聲是在音頻設(shè)備通電、斷電的瞬間以及通電穩(wěn)定后，有各種操作引起的瞬態(tài)沖擊所產(chǎn)生的刺耳爆破聲。這種瞬態(tài)沖擊通常表現(xiàn)為一種極窄的尖脈沖。經(jīng)傅立葉分析可知，其頻譜成分相當(dāng)豐富且在頻域內(nèi)的能量分布相對均衡。

要解決“POP”噪聲問題，需要降低20Hz～20kHz這一聽覺頻率范圍內(nèi)的諧波分量。對大多數(shù)人來說，當(dāng)信號的峰峰值電壓低于10mV時，該噪聲難以察覺。因此，設(shè)計和使用音頻設(shè)備時，應(yīng)特別注意對這部分諧波分量進(jìn)行有效抑制。

2.2.1 “POP”噪聲產(chǎn)生原因

TS4990放大器的典型電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。放大器啟動時，作為音頻放大器內(nèi)部偏置電壓的濾波器，旁路電容Cb以恒定速率線性充電。只有當(dāng)Cb兩端的電壓達(dá)到電源電壓的0.5倍時，放大器才能開始正常運(yùn)作，此充電時間即為放大器的啟動時間。在此期間，放大器輸出端不會產(chǎn)生任何信號。同時，輸入電容Cin也進(jìn)行充電，但因其充電回路中串聯(lián)了增益電阻Rin（通常阻值較大，達(dá)到幾十千歐），導(dǎo)致充電時間較長。如果Cin在啟動時間內(nèi)完成充電，就不會出現(xiàn)“POP”噪聲。如果Cin充電未完成，此時旁路電容Cb已充滿電，放大器正常工作，就會將Cin未充完的電信號放大至輸出端，從而產(chǎn)生“POP”噪聲電壓。

2.2.2 降低“POP”噪聲方法

為了有效消除“POP”噪聲，需要精確選擇Rin、Cin和Cb的數(shù)值。具體而言，需要確保Cin在Cb之前完成充電，即Cin的時間常數(shù)應(yīng)顯著小于Cb對應(yīng)的啟動時間。此外，Cin與輸入電阻Rin共同構(gòu)成了一個高通濾波器，其截止頻率通常設(shè)置為100Hz或更高。然而，在追求高質(zhì)量音頻的手機(jī)應(yīng)用中，為了捕捉更低頻的聲音，該截止頻率可能會調(diào)整至幾十赫茲以下。因此，在設(shè)計過程中，必須綜合考慮放大器的增益需求和音頻信號所需的最低輸入頻率，以確保濾波器設(shè)計的合理性，從而有效降低“POP”噪聲。

2.3 錄音音量不足問題

實際應(yīng)用過程中還存在錄音聲音偏小的問題。如果通過增加聲卡內(nèi)部放大倍數(shù)的方式增大錄音音量，就會同時增大系統(tǒng)底噪和背景噪聲，效果不理想。本文經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，該問題與麥克風(fēng)靈敏度有關(guān)，可以采用以下措施進(jìn)行改進(jìn)。

2.3.1 增大偏置電壓

駐極體麥克內(nèi)部FET的放大作用受跨導(dǎo)gm影響，gm反映了FET電壓電流轉(zhuǎn)移特性。增大偏置電壓改變了FET靜態(tài)特性，gm也隨之改變。對于駐極體麥克風(fēng)，F(xiàn)ET構(gòu)成了共源電路，增大偏置電壓，一定程度上也增大了gm，從而加強(qiáng)了FET的放大作用。FET共源電路不同偏置電壓下的輸出變化見表1。根據(jù)表1可知，偏置電壓增大，輸出也隨之增大，但偏置電壓＞2.5V后增幅不明顯。

2.3.2 增大負(fù)載電阻RL

由于電壓增益（即靈敏度）=RL·gm，因此RL越大，靈敏度也越高。負(fù)載電阻對靈敏度的影響如圖4[3]所示。在圖4中，RL從2.2kΩ增至4.7kΩ，輸出電壓幅度Vpp從621mV增至1.3V）。實際電路也驗證了這一點(diǎn)，即增大RL后，錄音音量明顯增加。

3 結(jié)論

駐極體麥克風(fēng)是目前行業(yè)內(nèi)常用的一種麥克風(fēng)，以簡單實用、高性價比等優(yōu)勢占據(jù)了大部分消費(fèi)類市場。本文從駐極體麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)和工作原理出發(fā)，分析了實際工程項目中遇到的常見問題，提出了解決方案，并結(jié)合試驗和仿真等方法驗證了方案的正確性和有效性，對其他相關(guān)工程實踐具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。

參考文獻(xiàn)

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[3]聶典，李北雁，聶夢晨，等.Multisim12仿真在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.