Progettazione del circuito stampato del microfono: come il circuito stesso influenza la qualità audio.

Su un circuito stampato per microfono , la parte su cui tutti si concentrano è il sensore, ma la scheda che lo circonda svolge almeno metà del lavoro. Il percorso del segnale, la posizione del punto di massa, il modo in cui il suono raggiunge il diaframma e la precisione delle saldature sono tutti elementi che determinano se si cattura una voce chiara o una registrazione distorta e piena di fruscii. Questa guida considera la scheda del microfono come un sistema acustico ed elettrico, non solo come un semplice componente, e illustra le scelte che distinguono un design silenzioso e sensibile da uno rumoroso. Lo stesso materiale si applica sia che abbiate cercato un circuito stampato per microfono, una scheda per microfono, una scheda elettronica per microfono, un circuito stampato per microfono MEMS o una scheda per microfono a elettrete: in tutti i casi, i componenti fondamentali sono il sensore, la porta e la messa a terra.

Di seguito viene illustrato ciò che i nostri ingegneri di assemblaggio acustico di Highleap Electronics verificano nel momento stesso in cui un microfono compare nella distinta base, prima ancora che il circuito stampato venga fabbricato e prima della prima saldatura a rifusione.

1. Cos'è un PCB per microfono e perché la scheda fa parte dell'acustica

Una scheda PCB per microfono è il circuito stampato che contiene fisicamente il sensore del microfono e ne trasporta il segnale di uscita, insieme a eventuali segnali di polarizzazione, filtraggio e riferimento di massa, a un codec, un microcontrollore o un amplificatore. Nei progetti moderni, il microfono è quasi sempre un componente a montaggio superficiale, quindi la scheda non è semplicemente un supporto: costituisce parte del percorso acustico e del riferimento elettrico da cui dipende il sensore.

Questo è particolarmente evidente nei microfoni MEMS con porta inferiore, dove il suono non entra affatto attraverso il componente. Entra attraverso un foro praticato nel PCB direttamente sotto il sensore. In tal caso, il diametro del foro sulla scheda, la placcatura e la tenuta tra il microfono e la scheda sono parametri di progettazione acustica tanto reali quanto il diaframma stesso.

La catena del segnale su una tipica scheda microfonica

Per un microfono analogico, la catena è sensore → rete di polarizzazione → traccia ad alta impedenza → ingresso codec o preamplificatore. Per un microfono digitale, il sensore integra l'amplificatore e un convertitore analogico-digitale, generando un flusso PDM o I2S pilotato da un clock. In entrambi i casi, il circuito stampato deve proteggere un segnale debole, ad alta impedenza e facilmente soggetto a interferenze dai circuiti digitali e di alimentazione rumorosi che condividono lo stesso PCB.

Perché il consiglio di amministrazione decide la qualità audio

Due schede costruite con la stessa parte microfonica possono suonare in modo completamente diverso. Il rumore di massa, l'accoppiamento delle ondulazioni di alimentazione con la linea di polarizzazione, una porta acustica mal sigillata o un foro di dimensioni errate possono degradare la registrazione. Il sensore stabilisce il limite massimo di qualità; la scheda determina quanto di quel limite viene effettivamente raggiunto.

2. MEMS vs Electret, Analogico vs Digitale: la scelta del sensore

La prima decisione da prendere nella progettazione di un circuito stampato per microfono riguarda la tecnologia del sensore e il suo formato di uscita. Queste scelte hanno ripercussioni sull'intero layout, quindi è fondamentale prenderle all'inizio del processo di progettazione, non alla fine.

MEMS contro condensatore a elettrete (ECM)

Un microfono MEMS è un sensore microelettromeccanico al silicio in un minuscolo package a montaggio superficiale con un amplificatore incorporato. È saldabile a rifusione, estremamente uniforme tra i vari componenti, stabile alle variazioni di temperatura e compatto, motivo per cui domina telefoni, laptop, auricolari e la maggior parte dei nuovi design. Un microfono a condensatore a elettrete (ECM) utilizza un diaframma polimerico caricato e un JFET; è economico e può offrire un suono eccellente, ma di solito si tratta di un contenitore con foro passante o con filo di collegamento, saldato a mano o terminato separatamente, poiché l'elemento a elettrete può essere danneggiato dal calore della rifusione.

Uscita analogica rispetto a uscita digitale

Un microfono analogico emette una piccola tensione che deve essere instradata con cura a un codec ed è vulnerabile al rumore lungo il percorso. Un microfono digitale converte il suono in bit all'interno del package, quindi la sua uscita PDM o I2S è molto più robusta sulla distanza e immune alla maggior parte del rumore presente sulla scheda, a costo di richiedere un clock e un instradamento digitale. Per array di più microfoni e lunghe tracce interne, il digitale è quasi sempre la scelta migliore; per i progetti più semplici e con un singolo microfono, l'analogico può essere la soluzione più economica.

Lettura dei numeri della scheda tecnica

All'interno di una tecnologia, la scelta si basa su due parametri principali. Il rapporto segnale/rumore (SNR) , espresso in dB(A), indica quanto è basso il rumore di fondo del microfono: un valore di 65 dB(A) è percepibilmente più pulito di uno di 58 dB(A) per sorgenti sonore distanti o a basso volume. La sensibilità (in dBV/Pa per i microfoni analogici, dBFS per quelli digitali) definisce il livello di uscita e contribuisce a bilanciare il guadagno a valle. Il punto di sovraccarico acustico (AOP) è importante per gli ambienti rumorosi. Scegliete l'SNR per la chiarezza, la sensibilità per il livello e l'AOP per il margine di sicurezza.

3. Progettazione della porta acustica: porta superiore, porta inferiore e sigillatura

Il modo in cui il suono raggiunge fisicamente il diaframma è l'aspetto della progettazione del PCB del microfono più spesso sottovalutato. Se la porta non è posizionata correttamente, anche un sensore di alta qualità può risultare ovattato, risonante o rumoroso.

Porta superiore contro porta inferiore

Un microfono con porta superiore ha l'ingresso del suono sulla superficie superiore del package, quindi la scheda sottostante è solida e il foro si trova nell'involucro del prodotto. Un microfono con porta inferiore capta il suono attraverso un foro nella sua base, il che significa che il PCB deve avere un foro passante corrispondente direttamente sotto il sensore, allineato all'apertura acustica dell'involucro. I design con porta inferiore sono comuni perché consentono al canale audio di passare senza ostacoli attraverso la scheda fino all'involucro del dispositivo, ma rendono il PCB parte integrante della struttura acustica.

Dimensionamento e finitura del foro sonoro del PCB

Il foro di risonanza è in genere un piccolo foro passante di dimensioni comprese tra 0.25 e 0.5 mm, mantenuto libero da residui di maschera di saldatura e allineato entro le tolleranze dichiarate dal produttore. Il pad attorno ad esso include un anello di tenuta in modo che la pasta saldante formi una guarnizione ermetica tra il microfono e il circuito stampato: se la pasta penetra nel foro o la guarnizione perde, le camere acustiche anteriore e posteriore vanno in cortocircuito e il rapporto segnale/rumore (SNR) crolla. Il foro viene solitamente lasciato non placcato o placcato in modo controllato in base alle dimensioni del produttore del microfono per evitare di modificarne il diametro effettivo.

Protezione della porta in fase di assemblaggio

Poiché la porta deve rimanere aperta e pulita, i PCB dei microfoni spesso richiedono un processo di pulizia senza contatto o una pellicola protettiva durante il lavaggio, oltre a una manipolazione attenta per evitare che flussante, polvere o rivestimento protettivo penetrino nel foro. Questa è una decisione relativa al processo di assemblaggio tanto quanto al layout, e dovrebbe essere concordata con il produttore prima della realizzazione.

4. Disposizione, messa a terra e isolamento acustico per una scheda microfonica pulita

Una volta posizionati il ​​sensore e la porta, la disposizione determina la quantità di rumore che raggiunge il segnale. Poche regole rigorose consentono di ottenere i maggiori benefici.

• Mantieni le tracce del microfono analogico brevi e dirette al codec, lontano da regolatori di commutazione, clock e antenne.
• Fornire un riferimento di terra silenzioso e continuo sotto il microfono e i suoi componenti di polarizzazione; evitare di dividere il piano di massa sotto il percorso del segnale.
• Disaccoppiare l'alimentazione al microfono con il condensatore raccomandato dal produttore posizionato vicino al pin di alimentazione per evitare ondulazioni sulla polarizzazione.
• Instradare il clock e i dati digitali PDM/I2S come gruppo corrispondente e protettoe tieni quell'orologio lontano da qualsiasi microfono analogico dello stesso tipo.
• Posizionare il microfono lontano da fonti di calore e sollecitazioni meccaniche. — La flessione della scheda e le forze di inserimento del connettore possono entrambe trasmettersi al sensore.
• In array multi-microfono, abbinare le lunghezze delle tracce e mantenere una geometria della porta identica in modo che il beamforming e la cancellazione del rumore si comportino in modo prevedibile.

Quando Highleap esamina il progetto di un microfono nell'ambito della realizzazione di un PCB audio , controlliamo il riferimento di massa sotto il microfono, il posizionamento del disaccoppiamento e, per i componenti con porta inferiore, il foro di risonanza e la relativa guarnizione sul disegno di fabbricazione prima di procedere alla produzione. Individuare un'assenza di segnale di blocco o una porta contaminata dalla maschera in questa fase non costa nulla; scoprirlo dopo un primo prototipo difettoso è molto più costoso.

5. Errori comuni nella progettazione di circuiti stampati per microfoni e alternative migliori

La maggior parte dei problemi relativi ai circuiti stampati dei microfoni sono prevedibili e prevenibili. Questi sono i problemi ricorrenti che riscontriamo nei progetti in arrivo.

• Dimenticare il foro di ventilazione del circuito stampato su un microfono con porta inferiore. La scheda è realizzata in un unico pezzo e il componente è acusticamente inerte: un errore a livello di ricircolo di sfere è stato rilevato solo dopo l'assemblaggio.
• Lasciare che la maschera o la pasta saldante sporchino la porta. La mascheratura si allarga restringendo il foro e la pasta può sigillarlo; entrambi i fattori compromettono la risposta. Definire un'area di esclusione pulita.
• Rifusione di un elemento elettretico. I diaframmi ECM possono perdere carica a causa del calore generato dalla rifusione: utilizzare un componente MEMS per il montaggio SMT oppure terminare l'elettreto separatamente.
• Registrazione di una lunga traccia analogica di un microfono accanto a un mixer. Il risultato è un ronzio udibile; passare a un microfono digitale oppure riposizionare e schermare il cavo.
• Dividere il terreno sotto il microfono. Un'interruzione nel flusso di riferimento genera rumore; mantieni il flusso continuo.
• Lavare in modo aggressivo un componente acustico no-clean. Liquidi e residui nella porta degradano il rapporto segnale/rumore (SNR); concordare preventivamente la procedura di pulizia.

L'approccio migliore è quello di definire tre aspetti prima del layout: la tecnologia del sensore (MEMS per SMT, ECM solo in caso di terminazione manuale), il formato di uscita (digitale per array e percorsi lunghi) e il tipo di porta (che determina se il PCB necessita di un foro acustico e di una guarnizione). Una volta definiti questi aspetti, fornite al produttore le specifiche di ingombro e i requisiti acustici del fornitore del microfono e il resto della progettazione seguirà senza intoppi.

6. Dove si vincono o si perdono le console per microfono: foratura, mascheratura e sigillatura

Una scheda per microfono è particolare perché la sua caratteristica più importante, la porta acustica, viene creata durante la fabbricazione e protetta durante l'assemblaggio, quindi le due fasi non possono essere trattate separatamente. Chi esegue la foratura del foro della porta inferiore deve anche mantenere la maschera di saldatura intorno ad esso, e chi si occupa dell'assemblaggio del componente MEMS deve creare una tenuta stagna e impedire che il flussante e i residui penetrino nella cavità. Suddividendo queste operazioni tra due fornitori, è proprio in quel punto che il rapporto segnale/rumore (SNR) inizia a diminuire silenziosamente.

Highleap esegue la foratura e la mascheratura del foro sonoro e realizza l' assemblaggio SMT di precisione sulla stessa linea, utilizzando un processo senza pulizia o con porta protetta e le stesse pratiche a basso rumore che applichiamo all'assemblaggio degli amplificatori audio . Inviateci le dimensioni e i requisiti acustici del fornitore del microfono e noi confermeremo la porta, l'esclusione e la sigillatura prima della produzione della prima scheda.

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7. Domande frequenti

Il circuito stampato di un microfono necessita di un foro?

Solo per i microfoni con porta inferiore, dove il suono entra attraverso la base del componente. Questi richiedono un piccolo foro passante nel PCB direttamente sotto il sensore, allineato all'apertura dell'involucro e circondato da un anello di tenuta. I microfoni con porta superiore captano il suono attraverso il package, quindi la scheda sottostante rimane solida.

MEMS o elettrete: quale è la soluzione migliore per il mio prodotto?

I MEMS sono ormai la soluzione predefinita per quasi tutti i nuovi progetti: sono a montaggio superficiale, compatibili con la saldatura a rifusione, uniformi e compatti. I microfoni a condensatore a elettrete rimangono interessanti quando il costo è un fattore critico e il componente può essere terminato manualmente anziché tramite saldatura a rifusione, poiché il calore generato da quest'ultima può danneggiare l'elemento a elettrete.

Qual è la differenza tra microfoni analogici e digitali (PDM/I2S)?

Un microfono analogico emette una piccola tensione sensibile al rumore di fondo lungo il suo percorso. Un microfono digitale converte il suono in un flusso di bit PDM o I2S all'interno del package, risultando molto più robusto sulle lunghe distanze e la scelta migliore per array di microfoni e percorsi interni lunghi.

Perché il suono del mio microfono è ovattato o rumoroso?

Le cause più comuni sono una porta acustica bloccata, di dimensioni errate o mal sigillata, e l'accoppiamento del rumore elettrico con una traccia di segnale analogico. Su una scheda microfonica, i problemi audio sono solitamente riconducibili alla sigillatura della porta, al riferimento di massa o al disaccoppiamento dell'alimentazione, piuttosto che al sensore stesso.

Quale rapporto segnale/rumore (SNR) dovrei cercare in un microfono MEMS?

Per una voce chiara e un utilizzo generale, un buon obiettivo è un valore di 64-65 dB(A) o superiore; i progetti di alta gamma e per applicazioni a lungo raggio utilizzano componenti con valori superiori a 70 dB(A). Un rapporto segnale/rumore (SNR) più elevato implica un rumore di fondo intrinseco inferiore, aspetto particolarmente importante per sorgenti sonore silenziose o distanti.

È possibile lavare i circuiti stampati dei microfoni dopo l'assemblaggio?

Sì, è possibile, ma la porta acustica deve essere protetta. Molte schede per microfoni utilizzano un processo di pulizia "no-clean" o una pellicola protettiva durante la pulizia, in modo che liquidi e residui non penetrino nella porta. La modalità di pulizia deve essere concordata con l'assemblatore prima dell'assemblaggio.