Návrh desky plošných spojů mikrofonu: Jak samotná deska ovlivňuje kvalitu zvuku

Na desce plošných spojů mikrofonu se všichni zaměřují na senzor – ale deska kolem něj odvádí nejméně polovinu práce. Trasa, kterou signál putuje, kde se nachází zemnící nátěr, jak zvuk dosáhne membrány a jak čistě je součástka připájena, to vše rozhoduje o tom, zda zachytíte čistý projev, nebo syčivý, dutý záznam. Tato příručka zachází s deskou mikrofonu jako s akustickým a elektrickým systémem, nikoli jen s rozměry, a prochází vás rozhodnutími, která odlišují tichý a citlivý design od hlučného. Stejný materiál platí, ať už hledáte desku plošných spojů mikrofonu, desku mikrofonu, elektronickou desku mikrofonu, desku plošných spojů MEMS mikrofonu nebo desku elektretového mikrofonu – vše se omezuje na senzor, port a uzemnění.

Následuje to, co naši inženýři pro akustiku a montáž ve společnosti Highleap Electronics kontrolují v okamžiku, kdy se mikrofon objeví v kusovníku – před výrobou desky a před prvním přetavením.

1. Co je mikrofonní deska plošných spojů a proč je součástí akustiky

Mikrofonní deska plošných spojů (PCB) je deska s plošnými spoji, která fyzicky drží mikrofonní senzor a přenáší jeho výstup – plus jakékoli předpětí, filtrování a zemní referenci – do kodeku, mikrokontroléru nebo zesilovače. V moderních konstrukcích je mikrofon téměř vždy povrchově montovanou součástí, takže deska není pouze nosičem: tvoří součást akustické cesty a elektrické reference, na které senzor závisí.

To je nejzřetelnější u mikrofonů MEMS se spodním portem, kde zvuk vůbec neproniká skrz součástku. Proniká otvorem vyvrtaným v desce plošných spojů přímo pod senzorem. V takovém případě jsou průměr otvoru v desce, pokovení a těsnění mezi mikrofonem a deskou parametry akustického designu, které jsou stejně reálné jako samotná membrána.

Signální řetězec na typické mikrofonní desce

U analogového mikrofonu je řetězec senzor → síť předpětí → vysokoimpedanční trasa → kodek nebo vstup předzesilovače. U digitálního mikrofonu senzor integruje zesilovač a analogově-digitální převodník, jehož výstupem je taktovaný PDM nebo I2S stream. V obou případech musí deska chránit malý, vysokoimpedanční a snadno poškozený signál před zašuměnými digitálními a napájecími obvody sdílejícími stejnou desku plošných spojů.

Proč správní rada rozhoduje o kvalitě zvuku

Dvě desky s identickou mikrofonní částí mohou znít zcela odlišně. Šum zemní smyčky, zvlnění napájení v předpětí, špatně utěsněný akustický port nebo zvukový otvor nesprávné velikosti – to vše zhorší kvalitu nahrávky. Senzor nastavuje strop kvality; deska určuje, jaké části tohoto stropu skutečně dosáhnete.

2. MEMS vs. elektret, analogový vs. digitální: Výběr senzoru

Prvním rozhodnutím na jakékoli desce plošných spojů mikrofonu je technologie senzoru a její výstupní formát. Tyto volby se prolínají celým rozvržením, takže patří na začátek návrhu, nikoli na konec.

MEMS versus elektretový kondenzátor (ECM)

MEMS mikrofon je křemíkový mikroelektromechanický senzor v malém pouzdře pro povrchovou montáž s vestavěným zesilovačem. Je pájitelný reflowem, má extrémně konzistentní vlastnosti mezi jednotlivými součástkami, stabilní při překročení teploty a je kompaktní – a proto dominuje v telefonech, noteboocích, sluchátkách a většině nových modelů. Elektretový kondenzátorový mikrofon (ECM) používá nabitou polymerovou membránu a JFET; je levný a může znít skvěle, ale obvykle se jedná o průchozí otvor nebo drátem připojenou pouzdro, které se ručně pájí nebo ukončuje samostatně, protože elektretový prvek může být poškozen teplem z reflowu.

Analogový versus digitální výstup

Analogový mikrofon vydává malé napětí, které musí být pečlivě směrováno do kodeku a cestou je náchylné k šumu. Digitální mikrofon převádí zvuk na bity uvnitř pouzdra, takže jeho PDM nebo I2S výstup je mnohem robustnější na vzdálenost a imunní vůči většině šumu na desce desky – za cenu nutnosti hodinového signálu a digitálního směrování. U vícemikrofonních polí a dlouhých interních tras téměř vždy vítězí digitální varianta; pro nejkratší a nejjednodušší konstrukce s jedním mikrofonem může být analogová levnější cestou.

Čtení čísel z datového listu

Výběr technologie ovlivňují dvě specifikace. Poměr signálu k šumu (SNR) , udávaný v dB(A), udává, jak tichá je vlastní šumová hladina mikrofonu – část s 65 dB(A) je slyšitelně čistší než část s 58 dB(A) pro vzdálené nebo tiché zdroje. Citlivost (v dBV/Pa pro analogový signál, dBFS pro digitální signál) určuje výstupní úroveň a pomáhá sladit zesílení signálu. Bod akustického přetížení (AOP) je důležitý pro hlučná prostředí. Zvolte SNR pro jasnost, citlivost pro úroveň a AOP pro rezervu.

3. Návrh akustického portu: horní port, spodní port a těsnění

Způsob, jakým zvuk fyzicky dosahuje membrány, je částí návrhu plošných spojů mikrofonu, která se nejčastěji podceňuje. Pokud se port špatně zapojí, i prémiový snímač bude znít tlumeně, rezonančně nebo hlučně.

Horní port versus spodní port

Mikrofon s horním portem má zvukový vstup na horní straně pouzdra, takže deska pod ním je pevná a otvor se nachází v krytu produktu. Mikrofon s dolním portem přijímá zvuk otvorem ve své základně, což znamená, že deska plošných spojů (PCB) musí mít odpovídající průchozí otvor přímo pod senzorem, zarovnaný s akustickým otvorem v krytu. Konstrukce se spodním portem jsou běžné, protože umožňují zvukovému kanálu čistý průchod deskou do krytu zařízení, ale dělají z desky plošných spojů konstrukční součást akustiky.

Velikost a dokončení zvukového otvoru na desce plošných spojů

Rezonanční otvor je obvykle malý vyvrtaný otvor o průměru 0.25–0.5 mm, který je udržován bez tečení pájecí masky a zarovnán s tolerancí stanovenou výrobcem. Vzorek plošek kolem něj obsahuje utěsněný kroužek, takže pájecí pasta vytváří vzduchotěsné těsnění mezi mikrofonem a deskou – pokud pasta pronikne do otvoru nebo těsnění prosakuje, přední a zadní akustická komora se zkratují a poměr signálu k šumu (SNR) se zhroutí. Otvor se obvykle ponechává bez pokovení nebo se řízeně pokovuje dle rozměrů mikrofonu daných výrobcem, aby se zabránilo změně jeho efektivního průměru.

Ochrana portu v sestavě

Protože port musí zůstat otevřený a čistý, vyžadují desky plošných spojů mikrofonů často proces bez čištění nebo ochrannou fólii během mytí a také opatrné zacházení, aby se do otvoru nedostalo tavidlo, prach ani konformní povlak. Toto je rozhodnutí o montážním procesu stejně jako o rozvržení a mělo by být před sestavením dohodnuto s výrobcem.

4. Rozložení, uzemnění a izolace hluku pro čistý mikrofonní panel

Jakmile jsou senzor a port nastaveny, rozvržení určuje, kolik šumu dosáhne signálu. Většinu výhod přináší několik dodržovaných pravidel.

• Udržujte analogové mikrofonní stopy krátké a přímé ke kodeku, mimo spínací regulátory, hodiny a antény.
• Zajistěte tichý a nepřetržitý signál ze země pod mikrofonem a jeho předpínacími komponenty; zabraňte rozštěpení země pod signálovou cestou.
• Odpojení napájení u mikrofonu s kondenzátorem doporučeným dodavatelem umístěným blízko napájecího pinu, aby se zabránilo zvlnění předpětí.
• Směrování digitálních hodin a dat PDM/I2S jako spárované, chráněné skupinya držte ty hodiny dál od jakéhokoli analogového mikrofonu ve stejném designu.
• Umístěte mikrofon mimo dosah tepla a mechanického namáhání — síly způsobené ohýbáním desky a zasouváním konektoru se mohou vzájemně ovlivňovat s senzorem.
• V multimikrofonních sestavách, shodují délky tras a zachovávají identickou geometrii portů, aby tvarování paprsku a potlačení šumu fungovaly předvídatelně.

Když Highleap kontroluje návrh mikrofonu jako součást sestavení audio desky plošných spojů , kontrolujeme uzemnění pod mikrofonem, umístění oddělení a – u dílů spodního portu – i zvukový otvor a těsnění na výrobním výkresu ještě předtím, než se cokoli sestaví. Odhalení chybějícího uzávěru nebo portu zaneseného maskou v této fázi nic nestojí; najít ho po prvním článku plném syčení je mnohem dražší.

5. Běžné chyby v oblasti plošných spojů mikrofonů a lepší alternativy

Většina problémů s deskami plošných spojů mikrofonů je předvídatelná a lze jim předejít. Toto jsou ty, které se u nově příchozích návrhů opakují.

• Zapomínání na zvukový otvor na desce plošných spojů u mikrofonu se spodním portem. Deska je vyrobena pevně a součástka je akusticky necitlivá – chyba na úrovni respinování je zachycena až po sestavení.
• Znečištění portu pájecí maskou nebo pastou. Tečení masky zužuje otvor a pasta ho může utěsnit; obojí ruší reakci. Definujte čistý uzávěr.
• Přetavování elektretového prvku. Membrány ECM mohou ztrácet náboj při přetavování – pro SMT použijte součástku MEMS nebo elektret zakončete samostatně.
• Spuštění dlouhé analogové mikrofonní stopy vedle přepínače. Výsledkem je slyšitelné kvílení; přepněte na digitální mikrofon nebo jej přesměrujte a zakryjte.
• Rozdělení země pod mikrofonem. Přerušení referenčního bodu způsobuje šum; udržujte lití nepřetržité.
• Agresivní mytí nečištěné akustické součásti. Kapalina a zbytky v portu snižují poměr signálu k šumu (SNR); předem se dohodněte na procesu čištění.

Lepším přístupem je před návrhem zabezpečit tři věci: technologii senzorů (MEMS pro SMT, ECM pouze při ručním zakončení), výstupní formát (digitální pro pole a dlouhé trasy) a styl portu (který určuje, zda deska plošných spojů potřebuje zvukový otvor a těsnění). Rozhodněte se o nich, sdělte výrobci rozměry mikrofonu a akustické požadavky a zbytek návrhu se čistě řídí vašimi požadavky.

6. Kde se mikrofonní desky vyhrávají nebo prohrávají: Vrtání, maskování a utěsnění

Deska mikrofonu je neobvyklá v tom, že její nejdůležitější prvek – akustický port – je vytvořen během výroby a chráněn během montáže, takže tyto dva kroky nelze posuzovat odděleně. Výrobce, který vyvrtá otvor pro spodní port, musí také kolem něj držet pájecí masku a montážník, který umisťuje součástku MEMS, musí vytvořit vzduchotěsné pájecí těsnění a udržet tavidlo a vymývání mimo dutinu. Rozdělte tyto dva dodavatele a spoj je přesně tam, kde poměr signálu k šumu (SNR) tiše mizí.

Highleap vrtá a maskuje rezonanční otvor a spouští SMT montáž s jemnou roztečí na stejné lince, s použitím procesu bez čištění nebo s ochranou portů a stejných postupů pro snížení šumu, jaké používáme pro montáž audio zesilovačů . Zašlete nám rozměry a akustické požadavky dodavatele mikrofonu a my potvrdíme port, ochranu před vstupem a utěsnění před sestavením první desky.

Získejte cenovou nabídku na desku plošných spojů pro váš mikrofon

7. Často kladené otázky

Potřebuje mikrofonní deska plošných spojů otvor v desce?

Pouze pro mikrofony s konektorem zespodu, kde zvuk vstupuje skrz základnu součástky. Ty vyžadují malý průchozí otvor v desce plošných spojů přímo pod senzorem, zarovnaný s otvorem v krytu a obklopený utěsněným kroužkem. Mikrofony s konektorem zhora propouštějí zvuk skrz pouzdro, takže deska pod nimi zůstává pevná.

MEMS nebo elektret – co je pro můj produkt lepší?

MEMS technologie je standardní pro téměř všechny nové konstrukce: umožňuje povrchovou montáž, je kompatibilní s reflow technologií, je konzistentní a kompaktní. Elektretové kondenzátorové mikrofony zůstávají atraktivní, pokud jsou důležité náklady a součást lze ručně zakončit, nikoli reflow technologií, protože teplo z reflow technologie může poškodit elektretový prvek.

Jaký je rozdíl mezi analogovými a digitálními (PDM/I2S) mikrofony?

Analogový mikrofon vydává na výstup malé napětí, které je citlivé na šum na desce plošných spojů. Digitální mikrofon převádí zvuk uvnitř pouzdra na bitový tok PDM nebo I2S, což ho činí mnohem robustnějším na vzdálenost a lepší volbou pro mikrofonní pole a dlouhé vnitřní trasy.

Proč můj mikrofon zní tlumeně nebo hlučně?

Nejčastějšími příčinami jsou zablokovaný, nesprávně dimenzovaný nebo špatně utěsněný akustický port a propojení elektrického šumu s analogovým signálem. Na mikrofonní desce zvukové problémy obvykle souvisejí spíše s těsněním portu, referenčním uzemněním nebo oddělením napájení než se samotným senzorem.

Jaký poměr signálu k šumu (SNR) bych měl hledat u MEMS mikrofonu?

Pro srozumitelnou řeč a všeobecné použití je dobrým cílem 64–65 dB(A) a více; prémiové a vzdálené konstrukce používají součástky nad 70 dB(A). Vyšší poměr signálu k šumu (SNR) znamená nižší vlastní šumovou podlahu, což je nejdůležitější pro tiché nebo vzdálené zdroje.

Lze po sestavení omýt desky plošných spojů mikrofonu?

Mohou, ale akustický port musí být chráněn. Mnoho mikrofonních desek používá proces bez čištění nebo ochrannou fólii během čištění, aby se do portu nikdy nedostala kapalina ani zbytky. Způsob čištění by se měl před montáží dohodnout s montérem.