Σχεδίαση πλακέτας μικροφώνου: Πώς η ίδια η πλακέτα διαμορφώνει την ποιότητα ήχου σας

Σε μια πλακέτα μικροφώνου , το μέρος στο οποίο όλοι εστιάζουν είναι ο αισθητήρας — αλλά η πλακέτα γύρω από αυτήν κάνει τουλάχιστον τη μισή δουλειά. Η διαδρομή που ακολουθεί το σήμα, το σημείο όπου βρίσκεται η γείωση, ο τρόπος με τον οποίο ο ήχος φτάνει στο διάφραγμα και το πόσο καθαρά είναι συγκολλημένο το μέρος, όλα καθορίζουν αν θα καταγράψετε καθαρή ομιλία ή μια ηχογράφηση γεμάτη σφύριγμα, κούφια. Αυτός ο οδηγός αντιμετωπίζει την πλακέτα μικροφώνου ως ένα ακουστικό και ηλεκτρικό σύστημα, όχι απλώς ένα αποτύπωμα, και περιγράφει τις αποφάσεις που διαχωρίζουν έναν ήσυχο, ευαίσθητο σχεδιασμό από έναν θορυβώδη. Το ίδιο ισχύει είτε αναζητήσατε μια πλακέτα μικροφώνου, μια πλακέτα μικροφώνου, μια ηλεκτρονική πλακέτα μικροφώνου, μια πλακέτα μικροφώνου MEMS ή μια πλακέτα μικροφώνου ηλεκτρέτ — όλα καταλήγουν στον αισθητήρα, τη θύρα και τη γείωση.

Αυτό που ακολουθεί είναι αυτό που ελέγχουν οι μηχανικοί ακουστικής συναρμολόγησης στην Highleap Electronics τη στιγμή που εμφανίζεται ένα μικρόφωνο σε έναν κατάλογο υλικών — πριν από την κατασκευή της πλακέτας και πριν από την πρώτη εκτέλεση αναδιαμόρφωσης.

1. Τι είναι η πλακέτα μικροφώνου και γιατί η πλακέτα αποτελεί μέρος της ακουστικής

Μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος μικροφώνου είναι η πλακέτα κυκλώματος που περιέχει φυσικά έναν αισθητήρα μικροφώνου και μεταφέρει την έξοδό του — συν οποιαδήποτε πόλωση, φιλτράρισμα και αναφορά γείωσης — σε έναν κωδικοποιητή, μικροελεγκτή ή ενισχυτή. Στα μοντέρνα σχέδια, το μικρόφωνο είναι σχεδόν πάντα ένα εξάρτημα επιφανειακής τοποθέτησης, επομένως η πλακέτα δεν είναι απλώς ένας φορέας: αποτελεί μέρος της ακουστικής διαδρομής και της ηλεκτρικής αναφοράς από την οποία εξαρτάται ο αισθητήρας.

Αυτό είναι πιο προφανές με τα μικρόφωνα MEMS κάτω θύρας, όπου ο ήχος δεν εισέρχεται καθόλου μέσω του εξαρτήματος. Εισέρχεται μέσω μιας οπής που έχει τρυπηθεί στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος ακριβώς κάτω από τον αισθητήρα. Σε αυτήν την περίπτωση, η διάμετρος της οπής της πλακέτας, η επιμετάλλωση και η στεγανοποίηση μεταξύ του μικροφώνου και της πλακέτας είναι ακουστικές παράμετροι σχεδιασμού εξίσου πραγματικές με το ίδιο το διάφραγμα.

Η αλυσίδα σήματος σε μια τυπική πλακέτα μικροφώνου

Για ένα αναλογικό μικρόφωνο, η αλυσίδα είναι αισθητήρας → δίκτυο πόλωσης → ίχνος υψηλής σύνθετης αντίστασης → είσοδος κωδικοποιητή ή προενισχυτή. Για ένα ψηφιακό μικρόφωνο, ο αισθητήρας ενσωματώνει τον ενισχυτή και έναν αναλογικό-ψηφιακό μετατροπέα, εξάγοντας μια ροή PDM ή I2S που βασίζεται σε ρολόι. Σε κάθε περίπτωση, η πλακέτα πρέπει να προστατεύει ένα μικρό, υψηλής σύνθετης αντίστασης, εύκολα αλλοιώσιμο σήμα από τα θορυβώδη ψηφιακά κυκλώματα και τα κυκλώματα τροφοδοσίας που μοιράζονται την ίδια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος.

Γιατί το διοικητικό συμβούλιο αποφασίζει για την ποιότητα του ήχου

Δύο πλακέτες που έχουν το ίδιο εξάρτημα μικροφώνου μπορεί να ακούγονται εντελώς διαφορετικά. Ο θόρυβος του βρόχου γείωσης, η κυμάτωση της τροφοδοσίας στη γραμμή πόλωσης, μια κακώς σφραγισμένη ακουστική θύρα ή μια οπή ήχου με λάθος μέγεθος θα υποβαθμίσουν την ηχογράφηση. Ο αισθητήρας θέτει το ανώτατο όριο στην ποιότητα. Η πλακέτα καθορίζει πόσο από αυτό το ανώτατο όριο θα φτάσετε πραγματικά.

2. MEMS vs Electret, Αναλογικό vs Ψηφιακό: Επιλογή του αισθητήρα

Η πρώτη απόφαση για οποιαδήποτε πλακέτα μικροφώνου είναι η τεχνολογία του αισθητήρα και η μορφή εξόδου του. Αυτές οι επιλογές διατρέχουν ολόκληρη τη διάταξη, επομένως ανήκουν στην αρχή του σχεδιασμού και όχι στο τέλος.

MEMS έναντι ηλεκτρικού συμπυκνωτή (ECM)

Ένα μικρόφωνο MEMS είναι ένας μικροηλεκτρομηχανικός αισθητήρας πυριτίου σε μια μικροσκοπική συσκευασία επιφανειακής τοποθέτησης με ενσωματωμένο ενισχυτή. Είναι συγκολλήσιμο με επανακυκλοφορία, εξαιρετικά σταθερό σε κάθε μέρος, σταθερό σε υπερθέρμανση και συμπαγές — γι' αυτό και κυριαρχεί σε τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές, ακουστικά και στα περισσότερα νέα σχέδια. Ένα μικρόφωνο συμπυκνωτή ηλεκτρέτ (ECM) χρησιμοποιεί ένα διάφραγμα φορτισμένου πολυμερούς και ένα JFET. Είναι φθηνό και μπορεί να ακούγεται εξαιρετικά, αλλά συνήθως είναι ένα δοχείο με διαμπερή οπή ή καλώδιο που συγκολλάται με το χέρι ή τερματίζεται ξεχωριστά, επειδή το στοιχείο ηλεκτρέτ μπορεί να υποστεί ζημιά από τη θερμότητα επανακυκλοφορίας.

Αναλογική έναντι ψηφιακής εξόδου

Ένα αναλογικό μικρόφωνο εξάγει μια μικρή τάση που πρέπει να δρομολογηθεί προσεκτικά σε έναν κωδικοποιητή και είναι ευάλωτη στον θόρυβο στην πορεία. Ένα ψηφιακό μικρόφωνο μετατρέπει τον ήχο σε bits μέσα στο πακέτο, επομένως η έξοδος PDM ή I2S του είναι πολύ πιο ισχυρή σε απόσταση και ανθεκτική στον περισσότερο θόρυβο της πλακέτας — με κόστος την ανάγκη για ρολόι και ψηφιακή δρομολόγηση. Για συστοιχίες πολλαπλών μικροφώνων και μεγάλα εσωτερικά ίχνη, το ψηφιακό σχεδόν πάντα κερδίζει. Για τα συντομότερα, απλούστερα σχέδια ενός μικροφώνου, το αναλογικό μπορεί να είναι η διαδρομή χαμηλότερου κόστους.

Ανάγνωση των αριθμών του φύλλου δεδομένων

Δύο προδιαγραφές καθορίζουν την επιλογή εντός μιας τεχνολογίας. Ο λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR) , που δίνεται σε dB(A), σας λέει πόσο ήσυχο είναι το επίπεδο θορύβου του μικροφώνου — ένα εξάρτημα 65 dB(A) είναι ακουστικά καθαρότερο από ένα 58 dB(A) για μακρινές ή ήσυχες πηγές. Η ευαισθησία (σε dBV/Pa για αναλογικό, dBFS για ψηφιακό) καθορίζει το επίπεδο εξόδου και βοηθά στην αντιστοίχιση της σταδιακής αύξησης του κέρδους κατάντη. Το σημείο ακουστικής υπερφόρτωσης (AOP) έχει σημασία για θορυβώδη περιβάλλοντα. Επιλέξτε SNR για καθαρότητα, ευαισθησία για επίπεδο και AOP για ύψος.

3. Σχεδιασμός ακουστικής θύρας: Άνω θύρα, Κάτω θύρα και σφράγιση

Ο τρόπος με τον οποίο ο ήχος φτάνει φυσικά στο διάφραγμα είναι το μέρος του σχεδιασμού της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος του μικροφώνου που υποτιμάται συχνότερα. Αν επιλέξετε λάθος θύρα, ακόμη και ένας αισθητήρας υψηλής ποιότητας θα ακούγεται σιγασμένος, συντονισμένος ή θορυβώδης.

Άνω θύρα έναντι κάτω θύρας

Ένα μικρόφωνο με επάνω θύρα έχει την είσοδο ήχου στην επάνω όψη της συσκευασίας, επομένως η πλακέτα από κάτω είναι συμπαγής και η οπή βρίσκεται στο περίβλημα του προϊόντος. Ένα μικρόφωνο με κάτω θύρα μεταφέρει τον ήχο μέσω μιας οπής στη βάση του, πράγμα που σημαίνει ότι η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB) πρέπει να έχει μια αντίστοιχη οπή ακριβώς κάτω από τον αισθητήρα, ευθυγραμμισμένη με το ακουστικό άνοιγμα του περιβλήματος. Τα σχέδια με κάτω θύρα είναι συνηθισμένα επειδή επιτρέπουν στο κανάλι ήχου να διέρχεται καθαρά μέσα από την πλακέτα στο περίβλημα της συσκευής, αλλά καθιστούν την πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος δομικό μέρος της ακουστικής.

Διαστασιολόγηση και φινίρισμα της οπής ήχου PCB

Η οπή ήχου είναι συνήθως μια μικρή τρυπημένη διέλευση στην περιοχή των 0.25–0.5 mm, διατηρούμενη χωρίς ερπυσμό της μάσκας συγκόλλησης και ευθυγραμμισμένη εντός της δηλωμένης ανοχής του κατασκευαστή. Το μοτίβο του μαξιλαριού γύρω από αυτό περιλαμβάνει έναν σφραγισμένο δακτύλιο, έτσι ώστε η πάστα συγκόλλησης να σχηματίζει μια αεροστεγή φλάντζα μεταξύ του μικροφώνου και της πλακέτας — εάν η πάστα γεφυρωθεί στην οπή ή η σφράγιση διαρρεύσει, οι μπροστινοί και πίσω ακουστικοί θάλαμοι βραχυκυκλώνονται και το SNR καταρρέει. Η οπή συνήθως αφήνεται χωρίς επιμετάλλωση ή με ελεγχόμενη επιμετάλλωση ανάλογα με το αποτύπωμα του κατασκευαστή του μικροφώνου, για να αποφευχθεί η αλλαγή της αποτελεσματικής διαμέτρου της.

Προστασία της θύρας κατά τη συναρμολόγηση

Επειδή η θύρα πρέπει να παραμένει ανοιχτή και καθαρή, οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων μικροφώνων συχνά απαιτούν μια διαδικασία χωρίς καθαρισμό ή μια προστατευτική μεμβράνη κατά το πλύσιμο, καθώς και προσεκτικό χειρισμό, ώστε να μην εισέλθει ποτέ στην οπή ροή, σκόνη ή σύμμορφη επίστρωση. Αυτή είναι μια απόφαση που αφορά τόσο τη διαδικασία συναρμολόγησης όσο και τη διάταξη και θα πρέπει να συμφωνηθεί με τον κατασκευαστή σας πριν από την κατασκευή.

4. Διάταξη, γείωση και απομόνωση θορύβου για μια καθαρή πλακέτα μικροφώνου

Μόλις ο αισθητήρας και η θύρα εγκατασταθούν, η διάταξη καθορίζει πόσος θόρυβος φτάνει στο σήμα. Μερικοί αυστηροί κανόνες προσφέρουν το μεγαλύτερο μέρος του οφέλους.

• Διατηρήστε σύντομες και άμεσες διαδρομές αναλογικού μικροφώνου στον κωδικοποιητή, μακριά από ρυθμιστές μεταγωγής, ρολόγια και κεραίες.
• Παρέχετε μια ήσυχη, συνεχή αναφορά εδάφους κάτω από το μικρόφωνο και τα εξαρτήματα πόλωσής του· αποφύγετε τη διάσπαση της γείωσης κάτω από τη διαδρομή του σήματος.
• Αποσύνδεση της τροφοδοσίας στο μικρόφωνο με τον πυκνωτή που προτείνει ο κατασκευαστής τοποθετημένο κοντά στην υποδοχή τροφοδοσίας για να μην προκαλείται κυμάτωση από την πόλωση.
• Δρομολόγηση ψηφιακού ρολογιού PDM/I2S και δεδομένων ως αντιστοιχισμένη, προστατευμένη ομάδακαι κρατήστε αυτό το ρολόι μακριά από οποιοδήποτε αναλογικό μικρόφωνο με τον ίδιο σχεδιασμό.
• Τοποθετήστε το μικρόφωνο μακριά από θερμότητα και μηχανικές καταπονήσεις — οι δυνάμεις κάμψης της πλακέτας και η εισαγωγή του συνδετήρα μπορούν να συμπιεστούν στον αισθητήρα.
• Σε συστοιχίες πολλαπλών μικροφώνων, αντιστοιχίζουν τα μήκη ίχνους και διατηρούν την ίδια γεωμετρία θύρας, ώστε η μορφοποίηση δέσμης και η ακύρωση θορύβου να συμπεριφέρονται προβλέψιμα.

Όταν η Highleap εξετάζει ένα σχέδιο μικροφώνου ως μέρος μιας κατασκευής πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος ήχου , ελέγχουμε την αναφορά γείωσης κάτω από το μικρόφωνο, την τοποθέτηση αποσύνδεσης και — για τα μέρη της κάτω θύρας — την οπή ήχου και τη στεγανοποίηση στο σχέδιο κατασκευής πριν από την κατασκευή οποιουδήποτε στοιχείου. Η εύρεση μιας θύρας που λείπει ή μιας θύρας που έχει λερωθεί με μάσκα σε αυτό το στάδιο δεν κοστίζει τίποτα. Η εύρεση της μετά από ένα πρώτο συριγμό είναι πολύ πιο ακριβή.

5. Συνηθισμένα λάθη στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος μικροφώνου και καλύτερες εναλλακτικές λύσεις

Τα περισσότερα προβλήματα της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος μικροφώνου είναι προβλέψιμα και μπορούν να προληφθούν. Αυτά είναι τα επαναλαμβανόμενα που βλέπουμε σε εισερχόμενα σχέδια.

• Ξεχνώντας την οπή ήχου της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB) σε ένα μικρόφωνο στην κάτω θύρα. Η πλακέτα είναι κατασκευασμένη συμπαγής και το εξάρτημα είναι ακουστικά νεκρό — ένα σφάλμα σε επίπεδο επαναφοράς που εντοπίζεται μόνο μετά τη συναρμολόγηση.
• Αφήνοντας τη μάσκα συγκόλλησης ή την κόλλα να λερώσει τη θύρα. Η ολίσθηση της μάσκας στενεύει την τρύπα και η πάστα μπορεί να τη σφραγίσει. Και τα δύο σκοτώνουν την αντίδραση. Ορίστε μια καθαρή, προστατευμένη περιοχή.
• Αναπλήρωση ροής ενός ηλεκτρετικού στοιχείου. Τα διαφράγματα ECM ενδέχεται να χάσουν φορτίο υπό την επαγωγή θερμότητας ανακυκλοφορίας — χρησιμοποιήστε ένα εξάρτημα MEMS για SMT ή τερματίστε το ηλεκτρέτ ξεχωριστά.
• Εκτέλεση μιας μακράς αναλογικής διαδρομής μικροφώνου δίπλα σε έναν διακόπτη. Το αποτέλεσμα είναι ένα ακουστό σφύριγμα. Αλλάξτε σε ψηφιακό μικρόφωνο ή αναδρομολογήστε και κάντε θωράκιση.
• Σπάσιμο εδάφους κάτω από το μικρόφωνο. Ένα διάλειμμα στην αναφορά προκαλεί θόρυβο· διατηρήστε τη ροή συνεχή.
• Δυνατό πλύσιμο ενός μη καθαρού ακουστικού μέρους. Το υγρό και τα υπολείμματα στη θύρα υποβαθμίζουν το SNR. Συμφωνήστε εκ των προτέρων για τη διαδικασία καθαρισμού.

Η καλύτερη προσέγγιση είναι να κλειδώσετε τρία πράγματα πριν από τη διάταξη: την τεχνολογία αισθητήρων (MEMS για SMT, ECM μόνο όταν τερματίζεται χειροκίνητα), τη μορφή εξόδου (ψηφιακή για συστοιχίες και μεγάλες διαδρομές) και το στυλ θύρας (το οποίο υπαγορεύει εάν η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος χρειάζεται οπή ήχου και σφράγιση). Αποφασίστε αυτά, δώστε στον κατασκευαστή σας το αποτύπωμα του προμηθευτή του μικροφώνου και τις ακουστικές απαιτήσεις και το υπόλοιπο σχέδιο ακολουθεί πιστά.

6. Πού κερδίζονται ή χάνονται οι πλακέτες μικροφώνου: Τρυπάνι, μάσκα και σφράγιση

Μια πλακέτα μικροφώνου είναι ασυνήθιστη, καθώς το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό της - η ακουστική θύρα - δημιουργείται κατά την κατασκευή και προστατεύεται κατά τη συναρμολόγηση, επομένως τα δύο βήματα δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν ξεχωριστά. Ο κατασκευαστής που ανοίγει την οπή της κάτω θύρας πρέπει επίσης να κρατάει την προστατευτική μάσκα συγκόλλησης γύρω της, και ο συναρμολογητής που τοποθετεί το εξάρτημα MEMS πρέπει να σχηματίσει μια αεροστεγή σφράγιση συγκόλλησης και να διατηρεί τη ροή και το πλύσιμο έξω από την κοιλότητα. Χωρίστε τα σε δύο προμηθευτές και η ραφή είναι ακριβώς εκεί που το SNR εξαφανίζεται ήσυχα.

Το Highleap τρυπάει και ελέγχει με μάσκα την οπή ήχου και λειτουργεί το συγκρότημα SMT λεπτού βήματος στην ίδια γραμμή, χρησιμοποιώντας μια διαδικασία χωρίς καθαρισμό ή με προστασία θύρας και τις ίδιες πρακτικές χαμηλού θορύβου που εφαρμόζουμε στο συγκρότημα ενισχυτή ήχου . Στείλτε μας το αποτύπωμα του προμηθευτή του μικροφώνου και τις ακουστικές απαιτήσεις και θα επιβεβαιώσουμε τη θύρα, την προστασία από το κλείσιμο και τη στεγανοποίηση πριν από την κατασκευή της πρώτης πλακέτας.

Λάβετε μια προσφορά για την πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος του μικροφώνου σας

7. Συχνές Ερωτήσεις

Χρειάζεται μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος μικροφώνου μια τρύπα στην πλακέτα;

Μόνο για μικρόφωνα κάτω θύρας, όπου ο ήχος εισέρχεται από τη βάση του εξαρτήματος. Αυτά απαιτούν μια μικρή οπή στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος ακριβώς κάτω από τον αισθητήρα, ευθυγραμμισμένη με το άνοιγμα του περιβλήματος και περιτριγυρισμένη από έναν σφραγισμένο δακτύλιο μαξιλαριού. Τα μικρόφωνα άνω θύρας μεταφέρουν τον ήχο μέσω της συσκευασίας, έτσι ώστε η πλακέτα από κάτω τους να παραμένει συμπαγής.

MEMS ή ηλεκτρέτ — ποιο είναι καλύτερο για το προϊόν μου;

Το MEMS είναι η προεπιλογή για σχεδόν όλα τα νέα σχέδια: είναι επιφανειακής τοποθέτησης, συμβατό με επανακυκλοφορία, σταθερό και συμπαγές. Τα πυκνωτικά μικρόφωνα ηλεκτρέτ παραμένουν ελκυστικά όταν το κόστος είναι κρίσιμο και το εξάρτημα μπορεί να τερματιστεί χειροκίνητα αντί να επανακυκλοφορηθεί, καθώς η θερμότητα επανακυκλοφορίας μπορεί να προκαλέσει ζημιά στο στοιχείο ηλεκτρέτ.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ αναλογικών και ψηφιακών (PDM/I2S) μικροφώνων;

Ένα αναλογικό μικρόφωνο εξάγει μια μικρή τάση που είναι ευαίσθητη στον θόρυβο της πλακέτας κατά μήκος της διαδρομής του. Ένα ψηφιακό μικρόφωνο μετατρέπει τον ήχο σε ροή bit PDM ή I2S μέσα στη συσκευασία, καθιστώντας το πολύ πιο ανθεκτικό σε μεγάλη απόσταση και την καλύτερη επιλογή για συστοιχίες μικροφώνων και μεγάλες εσωτερικές διαδρομές.

Γιατί το μικρόφωνό μου ακούγεται σιγασμένο ή θορυβώδες;

Οι πιο συνηθισμένες αιτίες είναι μια ακουστική θύρα που είναι μπλοκαρισμένη, έχει λάθος μέγεθος ή είναι κακώς σφραγισμένη, και η σύνδεση ηλεκτρικού θορύβου σε μια αναλογική ίχνος σήματος. Σε μια πλακέτα μικροφώνου, τα προβλήματα ήχου συνήθως οφείλονται στη στεγανοποίηση της θύρας, στην αναφορά γείωσης ή στην αποσύνδεση της τροφοδοσίας και όχι στον ίδιο τον αισθητήρα.

Ποιο SNR πρέπει να αναζητήσω σε ένα μικρόφωνο MEMS;

Για καθαρή ομιλία και γενική χρήση, τα 64–65 dB(A) και άνω αποτελούν έναν καλό στόχο. Τα σχέδια υψηλής ποιότητας και μακρινού πεδίου χρησιμοποιούν εξαρτήματα άνω των 70 dB(A). Υψηλότερο SNR σημαίνει χαμηλότερο επίπεδο αυτοθορύβου, το οποίο έχει τη μεγαλύτερη σημασία για ήσυχες ή μακρινές πηγές.

Μπορούν οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων μικροφώνων να πλυθούν μετά τη συναρμολόγηση;

Μπορούν, αλλά η ακουστική θύρα πρέπει να προστατεύεται. Πολλές πλακέτες μικροφώνων χρησιμοποιούν μια διαδικασία χωρίς καθαρισμό ή μια προστατευτική μεμβράνη κατά τον καθαρισμό, ώστε να μην εισέρχονται ποτέ υγρά και υπολείμματα στη θύρα. Η προσέγγιση καθαρισμού θα πρέπει να συμφωνηθεί με τον συναρμολογητή σας πριν από την κατασκευή.