Mikrofonin piirilevyn suunnittelu: Miten piirilevy itsessään muokkaa äänenlaatua

Mikrofonipiirilevyllä kaikki keskittyvät anturiin – mutta sitä ympäröivä levy tekee ainakin puolet työstä. Signaalin reitti, maadoitussignaalin sijainti, äänen pääsy kalvolle ja osan juotostarkkuus ratkaisevat, tallennetaanko selkeä puhe vai suhinaa täynnä oleva ontto äänite. Tämä opas käsittelee mikrofonilevyä akustisena ja sähköisenä järjestelmänä, ei vain jalanjälkialustana, ja käy läpi päätökset, jotka erottavat hiljaisen ja herkän rakenteen meluisasta. Sama pätee riippumatta siitä, etsitkö mikrofonipiirilevyä, mikrofonilevyä, mikrofonielektroniikkalevyä, MEMS-mikrofonipiirilevyä tai elektreettimikrofonilevyä – kaikki riippuvat anturista, portista ja maadoituksesta.

Seuraavassa on lueteltu, mitä Highleap Electronicsin akustiikkakokoonpanoinsinöörit tarkistavat heti, kun mikrofoni ilmestyy osaluetteloon – ennen piirilevyn valmistusta ja ennen ensimmäistä reflow-ajoa.

1. Mikä on mikrofonipiirilevy ja miksi piirilevy on osa akustiikkaa

Mikrofonipiirilevy on piirilevy, joka fyysisesti pitää mikrofonianturia paikallaan ja kuljettaa sen lähdön – sekä mahdollisen esijännitteen, suodatuksen ja maadoitusreferenssin – koodekille, mikrokontrollerille tai vahvistimelle. Nykyaikaisissa malleissa mikrofoni on lähes aina pinta-asennuskomponentti, joten piirilevy ei ole pelkkä kantoaaltoyksikkö: se muodostaa osan akustista reittiä ja sähköistä referenssiä, josta anturi on riippuvainen.

Tämä on ilmeisintä pohjaporttimikrofoneissa, joissa ääni ei kulje komponentin läpi lainkaan. Se tulee piirilevyyn poratun reiän kautta suoraan anturin alle. Tässä tapauksessa levyn reiän halkaisija, pinnoitus ja mikrofonin ja levyn välinen tiivistys ovat akustisia suunnitteluparametreja, jotka ovat aivan yhtä todellisia kuin itse kalvo.

Signaaliketju tyypillisellä mikrofonilevyllä

Analogisessa mikrofonissa ketju on anturi → esijänniteverkko → suuriimpedanssinen juova → koodekki tai esivahvistimen tulo. Digitaalisessa mikrofonissa anturi yhdistää vahvistimen ja analogia-digitaalimuuntimen, joka tuottaa kelloohjatun PDM- tai I2S-virran. Kummassakin tapauksessa piirilevyn on suojattava pieni, suuriimpedanssinen ja helposti korruptoituva signaali samaa piirilevyä jakavilta kohinaisilta digitaali- ja virtapiireiltä.

Miksi hallitus päättää äänenlaadusta

Kaksi identtisellä mikrofoniosalla rakennettua levyä voivat kuulostaa täysin erilaisilta. Maadoitussilmukan kohina, syötön ripple-kytkentä bias-linjaan, huonosti suljettu akustinen portti tai väärän kokoinen ääniaukko heikentävät kaikki äänityksen laatua. Anturi asettaa laadun katon; levy määrittää, kuinka paljon tästä katosta todellisuudessa yltät.

2. MEMS vs. elektreetti, analoginen vs. digitaalinen: Anturin valinta

Ensimmäinen päätös minkä tahansa mikrofonipiirilevyn valinnassa on anturiteknologia ja sen lähtömuoto. Nämä valinnat heijastuvat koko asetteluun, joten ne kuuluvat suunnittelun alkuun, eivät loppuun.

MEMS vs. elektreettikondensaattori (ECM)

MEMS -mikrofoni on piisirunkoinen mikroelektromekaaninen anturi pienessä pinta-asennuskotelossa, jossa on sisäänrakennettu vahvistin. Se on juotettavissa uudelleen, erittäin tasalaatuinen osien välillä, vakaa ylilämpötilan suhteen ja kompakti – minkä vuoksi se on suosittu puhelimissa, kannettavissa tietokoneissa, nappikuulokkeissa ja useimmissa uusissa malleissa. Elektreettikondensaattorimikrofoni (ECM) käyttää varattua polymeerikalvoa ja JFETiä; se on edullinen ja voi kuulostaa erinomaiselta, mutta se on yleensä läpireikäinen tai johdolla kiinnitetty mikrofoni, joka juotetaan käsin tai päätetään erikseen, koska elektreettielementti voi vaurioitua uudelleensulatuslämmön vaikutuksesta.

Analoginen vs. digitaalinen lähtö

Analoginen mikrofoni tuottaa pienen jännitteen, joka on reititettävä huolellisesti koodekille ja joka on matkan varrella altis kohinalle. Digitaalinen mikrofoni muuntaa äänen biteiksi kotelon sisällä, joten sen PDM- tai I2S- lähtö on paljon luotettavampi etäisyyden yli ja immuuni useimmille piirilevykohinoille – kellon ja digitaalisen reitityksen hinnalla. Usean mikrofonin matriiseissa ja pitkissä sisäisissä yhteyksissä digitaalinen on lähes aina parempi vaihtoehto; lyhyimmissä ja yksinkertaisimmissa yhden mikrofonin malleissa analoginen voi olla edullisempi vaihtoehto.

Datalehden numeroiden lukeminen

Teknologian valintaan vaikuttaa kaksi ominaisuutta. Signaali-kohinasuhde (SNR) , joka ilmaistaan ​​dB(A):na, kertoo, kuinka hiljainen mikrofonin oma kohinataso on – 65 dB(A):n taso on kuultavasti puhtaampi kuin 58 dB(A):n taso kaukaisilla tai hiljaisilla lähteillä. Herkkyys (dBV/Pa analogisille, dBFS digitaalisille) asettaa lähtötason ja auttaa sovittamaan vahvistuksen vaiheistuksen alavirtaan. Akustinen ylikuormituspiste (AOP) on tärkeä meluisissa ympäristöissä. Valitse SNR selkeyden, herkkyys tason ja AOP ylävaran vuoksi.

3. Akustisen portin suunnittelu: Yläportti, alaportti ja tiivistys

Äänen fyysinen saavuttama kalvo on mikrofonin piirilevysuunnittelun usein aliarvioitu osa. Jos portti valitaan väärin, jopa huippuluokan anturi kuulostaa vaimealta, resonoivalta tai kohinaiselta.

Yläportti vs. alaportti

Yläporttimikrofonin äänen sisääntuloaukko on kotelon yläpinnalla, joten alla oleva piirilevy on umpinainen ja reikä sijaitsee tuotteen kotelossa. Alaporttimikrofoni ottaa äänen pohjassa olevan reiän kautta, mikä tarkoittaa, että piirilevyssä on oltava vastaava läpivientireikä suoraan anturin alla, linjassa kotelon akustiikan kanssa. Pohjaporttirakenteet ovat yleisiä, koska ne päästävät äänikanavan kulkemaan esteettä piirilevyn läpi laitteen koteloon, mutta ne tekevät piirilevystä rakenteellisen osan akustiikkaa.

Piirilevyn ääniaukon mitoitus ja viimeistely

Äänireikä on tyypillisesti pieni, 0.25–0.5 mm:n läpimittainen porattu reikä, jossa ei esiinny juotosmaskin virumista ja joka on kohdistettu valmistajan ilmoittaman toleranssin rajoissa. Äänireiän ympärillä oleva tiivistysrengas sisältää tiivistetyn renkaan, joten juotospasta muodostaa ilmatiiviin tiivisteen mikrofonin ja levyn väliin – jos pasta pääsee reikään tai tiiviste vuotaa, etu- ja taka-akustiset kammiot oikosulkeutuvat ja signaali-kohinasuhde romahtaa. Reikä jätetään yleensä pinnoittamatta tai pinnoitetaan kontrolloidusti mikrofonivalmistajan koon mukaan, jotta sen efektiivinen halkaisija ei muutu.

Portin suojaaminen kokoonpanossa

Koska portin on pysyttävä auki ja puhtaana, mikrofonipiirilevyt vaativat usein puhdistusta ilman puhdistusta tai suojakalvon pesun aikana. Lisäksi niitä on käsiteltävä huolellisesti, jotta juoksute, pöly tai muotoiltu pinnoite ei koskaan pääse reikään. Tämä on yhtä lailla kokoonpanoprosessiin kuin asetteluun liittyvä päätös, ja siitä tulisi sopia valmistajan kanssa ennen rakentamista.

4. Puhtaan mikrofonin piirilevyn asettelu, maadoitus ja kohinaneristys

Kun anturi ja portti on asennettu, asettelu määrää, kuinka paljon kohinaa signaaliin pääsee. Muutamalla kurinalaisella säännöllä saadaan suurin hyöty.

• Pidä analogisten mikrofonien jäljet ​​lyhyinä ja suorina koodekkiin, kaukana kytkentäsäätimistä, kelloista ja antenneista.
• Tarjoaa hiljaisen, jatkuvan maareferenssin mikrofonin ja sen biaskomponenttien alla; vältä maan halkeamista signaalireitin alapuolella.
• Irrota tarjonta mikrofonin kohdalla siten, että valmistajan suosittelema kondensaattori on sijoitettu lähelle virtajohtoa, jotta esijännite ei johda ripple-efektiin.
• Reititä digitaalinen PDM/I2S-kello ja data sovitettuna, suojattuna ryhmänäja pidä kellosignaali erillään samanmallisen analogisen mikrofonin läheisyydestä.
• Pidä mikrofoni poissa lämmöstä ja mekaanisesta rasituksesta — sekä piirilevyn taipumis- että liittimen työntövoimat voivat vaikuttaa anturiin.
• Monimikrofoniryhmissä, sovita juovien pituudet yhteen ja säilytä identtinen porttigeometria, jotta keilanmuodostus ja kohinanvaimennus toimivat ennustettavasti.

Kun Highleap tarkistaa mikrofonisuunnittelua osana äänipiirilevyn rakentamista , tarkistamme maadoitusreferenssin mikrofonin alla, irtikytkentäpaikan ja – pohjaportin osien osalta – ääniaukon ja tiivisteen valmistuspiirustuksesta ennen kuin mitään rakennetaan. Puuttuvan esteen tai maskin likaaman portin löytäminen tässä vaiheessa ei maksa mitään; sen löytäminen suhinan täyttämän ensimmäisen artikkelin jälkeen on paljon kalliimpaa.

5. Yleisiä mikrofonipiirilevyjen virheitä ja parempia vaihtoehtoja

Useimmat mikrofonipiirilevyongelmat ovat ennustettavissa ja ehkäistävissä. Näitä ongelmia näemme uusissa malleissa toistuvasti.

• Unohda piirilevyn äänireikä pohjaporttimikrofonissa. Levy on valmistettu kiinteäksi ja osa on akustisesti vaimea – uudelleenpyöritystason virhe, joka havaitaan vasta kokoonpanon jälkeen.
• Juotosmaskin tai tahnan antaminen likaamaan porttia. Maskin viruminen kaventaa reikää ja tahna voi tiivistää sen; molemmat tappavat vasteen. Määrittele siisti esto.
• Elektreettielementin uudelleenjuoksuttaminen. ECM-kalvot voivat menettää varaustaan ​​uudelleensulatuksen lämmössä – käytä SMT:ssä MEMS-osaa tai päätä elektreetti erikseen.
• Pitkän analogisen mikrofonijäljen ajaminen kytkimen vieressä. Tuloksena on kuuluva vinkuminen; vaihda digitaaliseen mikrofoniin tai reititä uudelleen ja suojaa.
• Maa halkeaa mikrofonin alla. Katkos referenssissä lisää kohinaa; pidä kaato jatkuvana.
• Puhdistamattoman akustisen osan aggressiivinen pesu. Neste ja jäämät portissa heikentävät signaali-kohinasuhdetta (SNR); sovi puhdistusprosessista etukäteen.

Parempi lähestymistapa on lukita kolme asiaa ennen asettelua: anturiteknologia (MEMS SMT:lle, ECM vain käsin päätettäessä), lähtömuoto (digitaalinen mikrofoniryhmille ja pitkille reiteille) ja porttityyppi (joka sanelee, tarvitseeko piirilevylle ääniaukon ja tiivisteen). Päätä nämä, anna valmistajalle mikrofonitoimittajan koko ja akustiset vaatimukset, niin muu suunnittelu seuraa perässä.

6. Missä mikrofonilevyt voitetaan tai katoavat: Poraa, peitä ja tiivistä

Mikrofonilevy on siinä mielessä epätavallinen, että sen tärkein ominaisuus – akustinen portti – luodaan valmistuksen aikana ja suojataan kokoonpanon aikana, joten näitä kahta vaihetta ei voida käsitellä erikseen. Pohjaportin reiän poraavan valmistajan on myös pidettävä juotosmaskin suoja erillään sen ympäriltä, ​​ja MEMS-osan asettavan kokoajan on muodostettava ilmatiivis juotostiiviste ja pidettävä juoksute ja pesuaine poissa ontelosta. Kun nämä jaetaan kahdelle toimittajalle, saumakohta on juuri se kohta, josta signaali-kohinasuhde hiljaa katoaa.

Highleap poraa ja maskisäätää äänireikää ja ajaa hienojakoisen SMT-kokoonpanon samalla linjalla käyttäen puhdistusta vaatimatonta tai porttisuojattua prosessia ja samoja vähäkohinaisia ​​käytäntöjä, joita sovellamme äänivahvistimien kokoonpanoon . Lähetä meille mikrofonitoimittajan tiedot koko- ja akustiikkavaatimuksista, niin vahvistamme portin, ulkoisen suojauksen ja tiivistyksen ennen ensimmäisen piirilevyn rakentamista.

Pyydä tarjous mikrofonipiirilevystäsi

7. Usein Kysytyt Kysymykset

Tarvitseeko mikrofonin piirilevyyn reiän?

Vain pohjaporttimikrofoneille, joissa ääni tulee sisään osan pohjan kautta. Näissä piirilevyssä on oltava pieni läpireikä suoraan anturin alla, kotelon aukon suuntainen ja tiivistetyn tyynyrenkaan ympäröimä. Yläporttimikrofonit vievät äänen kotelon läpi, joten niiden alla oleva piirilevy pysyy tukevana.

MEMS vai elektreetti – kumpi sopii paremmin tuotteelleni?

MEMS on lähes kaikkien uusien mallien oletusarvo: se on pinta-asennettava, uudelleensulatuksen kanssa yhteensopiva, tasalaatuinen ja kompakti. Elektreettikondensaattorimikrofonit ovat edelleen houkuttelevia vaihtoehtoja, kun kustannukset ovat kriittisiä ja osa voidaan päättää käsin uudelleensulatuksen sijaan, koska uudelleensulatuksen aiheuttama lämpö voi vahingoittaa elektreettielementtiä.

Mitä eroa on analogisilla ja digitaalisilla (PDM/I2S) mikrofoneilla?

Analoginen mikrofoni tuottaa pienen jännitteen, joka on herkkä piirilevyn kohinalle johtimensa varrella. Digitaalinen mikrofoni muuntaa äänen PDM- tai I2S-bittivirraksi kotelon sisällä, mikä tekee siitä paljon luotettavamman pitkillä etäisyyksillä ja paremman valinnan mikrofoniryhmille ja pitkille sisäisille reiteille.

Miksi mikrofonini kuulostaa vaimealta tai kohinaiselta?

Yleisimmät syyt ovat akustinen portti, joka on tukkeutunut, väärän kokoinen tai huonosti tiivistetty, sekä sähköisen kohinan kytkeytyminen analogiseen signaalijohtimeen. Mikrofonilevyllä ääniongelmat johtuvat yleensä portin tiivisteestä, maadoitusreferenssistä tai syöttöjännitteen irtikytkennästä pikemminkin kuin itse anturista.

Mitä signaali-kohinasuhdetta minun tulisi etsiä MEMS-mikrofonissa?

Selkeän puheen ja yleiskäytön kannalta hyvä tavoitetaso on 64–65 dB(A) ja sitä korkeampi; premium- ja kaukokenttämalleissa käytetään yli 70 dB(A):n osia. Korkeampi signaali-kohinasuhde tarkoittaa matalampaa omakohinan pohjatasoa, jolla on suurin merkitys hiljaisten tai kaukaisten lähteiden kohdalla.

Voiko mikrofonin piirilevyt pestä kokoamisen jälkeen?

Ne voivat, mutta akustista porttia on suojattava. Monet mikrofonilevyt käyttävät puhdistusprosessia ilman puhdistusta tai suojakalvoa puhdistuksen aikana, jotta nestettä tai jäämiä ei koskaan pääse porttiin. Puhdistusmenetelmästä tulee sopia kokoajan kanssa ennen rakentamista.