PCB-ontwerp voor microfoons: hoe de printplaat zelf de audiokwaliteit beïnvloedt

Op een microfoonprintplaat ligt de focus vooral op de sensor, maar de printplaat eromheen doet minstens de helft van het werk. De route die het signaal aflegt, de locatie van de massa-aansluiting, hoe het geluid het membraan bereikt en hoe netjes de onderdelen gesoldeerd zijn, bepalen of je heldere spraak opneemt of een ruisende, holle opname. Deze handleiding beschouwt de microfoonprintplaat als een akoestisch en elektrisch systeem, niet alleen als een basisprint, en bespreekt de keuzes die een stil en gevoelig ontwerp onderscheiden van een ruisgevoelig ontwerp. Dezelfde informatie is van toepassing, of je nu zoekt naar een microfoonprintplaat, een microfoonbord, een elektronische microfoonprintplaat, een MEMS-microfoonprintplaat of een elektretmicrofoonprintplaat – het komt allemaal neer op de sensor, de aansluiting en de aarding.

Hieronder volgt wat onze akoestische assemblage-ingenieurs bij Highleap Electronics controleren zodra een microfoon op de materiaallijst verschijnt – voordat de printplaat wordt gefabriceerd en vóór de eerste reflow-bewerking.

1. Wat een microfoonprintplaat is en waarom deze printplaat onderdeel uitmaakt van de akoestiek

Een microfoon-PCB is de printplaat die fysiek een microfoonsensor bevat en de output ervan – inclusief eventuele bias, filtering en massa – naar een codec, microcontroller of versterker transporteert. In moderne ontwerpen is de microfoon bijna altijd een SMD-component (surface mount component), waardoor de printplaat niet slechts een drager is: hij vormt onderdeel van het akoestische pad en de elektrische referentie waarop de sensor is gebaseerd.

Dit is het duidelijkst bij MEMS-microfoons met een poort aan de onderkant, waarbij het geluid helemaal niet via het component zelf binnenkomt. Het komt binnen via een gat dat direct onder de sensor in de printplaat is geboord. In dat geval zijn de diameter van het gat in de printplaat, de beplating en de afdichting tussen de microfoon en de printplaat akoestische ontwerpparameters die net zo belangrijk zijn als het membraan zelf.

De signaalketen op een typische microfoonmixer

Bij een analoge microfoon is de signaalketen als volgt: sensor → bias-netwerk → hoogohmige printplaat → codec of voorversterker-ingang. Bij een digitale microfoon integreert de sensor de versterker en een analoog-digitaal-omzetter, die een klokgestuurde PDM- of I2S-stream uitvoert. In beide gevallen moet de printplaat een klein, hoogohmig en gemakkelijk te verstoren signaal beschermen tegen de ruisgevoelige digitale en voedingscircuits die zich op dezelfde printplaat bevinden.

Waarom de directie de audiokwaliteit bepaalt

Twee printplaten met hetzelfde microfoongedeelte kunnen compleet anders klinken. Aardlusruis, rimpelingen in de voedingsspanning die in de biaslijn terechtkomen, een slecht afgedichte akoestische poort of een klankgat met de verkeerde afmetingen kunnen allemaal de opnamekwaliteit negatief beïnvloeden. De sensor stelt de maximale kwaliteit vast; de printplaat bepaalt hoeveel van die maximale kwaliteit daadwerkelijk wordt bereikt.

2. MEMS versus elektret, analoog versus digitaal: de juiste sensor kiezen

De eerste beslissing bij het ontwerpen van een microfoonprintplaat betreft de sensortechnologie en het uitvoerformaat. Deze keuzes hebben een domino-effect op de gehele lay-out, dus ze horen aan het begin van het ontwerpproces, niet aan het einde.

MEMS versus elektretcondensator (ECM)

Een MEMS-microfoon is een micro-elektromechanische sensor van silicium in een kleine SMD-behuizing met een ingebouwde versterker. Hij is geschikt voor reflow-solderen, extreem consistent van component tot component, temperatuurstabiel en compact – vandaar dat hij dominant is in telefoons, laptops, oordopjes en de meeste nieuwe ontwerpen. Een elektretcondensatormicrofoon (ECM) gebruikt een geladen polymeermembraan en een JFET; hij is goedkoop en kan uitstekend klinken, maar is meestal een doorsteek- of draadbehuizing die met de hand gesoldeerd of apart afgewerkt wordt, omdat het elektretelement beschadigd kan raken door de hitte van het reflow-proces.

Analoge versus digitale uitvoer

Een analoge microfoon geeft een kleine spanning af die zorgvuldig naar een codec moet worden geleid en onderweg gevoelig is voor ruis. Een digitale microfoon zet geluid om in bits binnen de behuizing, waardoor de PDM- of I2S- uitgang veel robuuster is over afstand en immuun voor de meeste ruis op de printplaat – ten koste van de noodzaak van een kloksignaal en digitale routing. Voor arrays met meerdere microfoons en lange interne sporen is digitaal bijna altijd de beste optie; voor de kortste, eenvoudigste ontwerpen met één microfoon kan analoog de voordeligere keuze zijn.

Het aflezen van de cijfers in het gegevensblad

Twee specificaties zijn bepalend voor de keuze binnen een bepaalde technologie. De signaal-ruisverhouding (SNR) , uitgedrukt in dB(A), geeft aan hoe laag de eigen ruisvloer van de microfoon is — een SNR van 65 dB(A) is hoorbaar schoner dan een SNR van 58 dB(A) bij verre of stille bronnen. De gevoeligheid (in dBV/Pa voor analoog, dBFS voor digitaal) bepaalt het uitgangsniveau en helpt bij het afstemmen van de gain-instellingen verderop in het signaal. Het akoestisch overbelastingspunt (AOP) is belangrijk in lawaaierige omgevingen. Kies SNR voor helderheid, gevoeligheid voor volume en AOP voor headroom.

3. Ontwerp van de akoestische poort: poort aan de bovenkant, poort aan de onderkant en afdichting

De manier waarop geluid fysiek het membraan bereikt, is het onderdeel van het PCB-ontwerp van een microfoon dat het vaakst wordt onderschat. Als de poort niet goed is ontworpen, klinkt zelfs een hoogwaardige sensor gedempt, resonant of ruisend.

Bovenpoort versus onderpoort

Een microfoon met een bovenpoort heeft de geluidsinlaat aan de bovenkant van de behuizing, waardoor de printplaat eronder massief is en de opening zich in de behuizing van het product bevindt. Een microfoon met een onderpoort neemt geluid op via een opening in de basis, wat betekent dat de printplaat een bijpassende doorvoeropening direct onder de sensor moet hebben, uitgelijnd met de akoestische opening van de behuizing. Ontwerpen met een onderpoort komen veel voor omdat ze het geluidskanaal zuiver door de printplaat naar de behuizing laten lopen, maar ze maken de printplaat wel een structureel onderdeel van de akoestiek.

Het dimensioneren en afwerken van het klankgat in de printplaat.

Het klankgat is doorgaans een kleine geboorde opening van 0.25–0.5 mm, die vrij blijft van kruip van het soldeermasker en binnen de door de fabrikant opgegeven toleranties is uitgelijnd. Het padpatroon eromheen bevat een afgedichte ring, zodat soldeerpasta een luchtdichte pakking vormt tussen de microfoon en de printplaat. Als er pasta in het gat terechtkomt of de afdichting lekt, ontstaan ​​er kortsluitingen tussen de voorste en achterste akoestische kamers en stort de signaal-ruisverhouding (SNR) in. Het gat wordt meestal niet geplateerd of gecontroleerd geplateerd volgens de specificaties van de microfoonfabrikant om de effectieve diameter niet te veranderen.

De poort beschermen tijdens de montage.

Omdat de poort open en schoon moet blijven, vereisen microfoon-PCB's vaak een 'no-clean'-proces of een beschermfolie tijdens het reinigen, plus een zorgvuldige behandeling om te voorkomen dat soldeerflux, stof of conformal coating in het gat terechtkomt. Dit is een beslissing die zowel betrekking heeft op het assemblageproces als op de lay-out, en dient vóór de productie met de fabrikant te worden afgestemd.

4. Lay-out, aarding en ruisisolatie voor een overzichtelijke microfoonprintplaat

Zodra de sensor en de poort correct zijn ingesteld, bepaalt de lay-out hoeveel ruis het signaal bereikt. Een paar strikte regels leveren het meeste voordeel op.

• Houd analoge microfoonsporen kort en direct. naar de codec, weg van schakelregelaars, klokken en antennes.
• Zorg voor een stille, continue aardingsreferentie. Onder de microfoon en de bijbehorende biascomponenten; voorkom dat de massa onder het signaalpad wordt onderbroken.
• Ontkoppel de toevoer bij de microfoon met de door de fabrikant aanbevolen condensator dicht bij de voedingspin geplaatst om rimpelingen in de bias te voorkomen.
• Behandel digitale PDM/I2S-klok- en datastromen als een gecoördineerde, beveiligde groep.En houd die klok uit de buurt van analoge microfoons met hetzelfde ontwerp.
• Plaats de microfoon uit de buurt van warmtebronnen en mechanische spanning. — Zowel de buigkracht van de printplaat als de krachten die vrijkomen bij het inbrengen van de connector kunnen op de sensor worden overgebracht.
• In arrays met meerdere microfoonsZorg ervoor dat de lengte van de signalen overeenkomt en behoud een identieke poortgeometrie, zodat beamforming en ruisonderdrukking voorspelbaar werken.

Wanneer Highleap een microfoonontwerp beoordeelt als onderdeel van de productie van een audio-PCB , controleren we de massa-aansluiting onder de microfoon, de plaatsing van de ontkoppeling en – voor componenten met een baspoort aan de onderkant – het klankgat en de afdichting op de fabricagetekening voordat er iets wordt gebouwd. Het opsporen van een ontbrekende afdichting of een door maskering vervuilde baspoort in dit stadium kost niets; het vinden ervan na een eerste prototype vol ruis is veel duurder.

5. Veelvoorkomende fouten bij het printen van microfoonprintplaten en betere alternatieven

De meeste problemen met microfoonprintplaten zijn voorspelbaar en te voorkomen. Dit zijn de terugkerende problemen die we zien bij nieuwe ontwerpen.

• Het vergeten van de geluidsopening op de printplaat van een microfoon met een poort aan de onderkant. De printplaat is massief en het onderdeel is akoestisch dood — een fout op respin-niveau die pas na de assemblage werd ontdekt.
• Het is belangrijk om te voorkomen dat soldeermasker of -pasta de poort vervuilt. Maskering kan het gat smaller maken en pasta kan het afdichten; beide remmen de reactie af. Definieer een duidelijke zone waar geen lucht binnenkomt.
• Het opnieuw solderen van een elektret-element. ECM-membranen kunnen hun lading verliezen onder de hitte van het reflow-soldeerproces — gebruik een MEMS-component voor SMT, of sluit het elektret afzonderlijk aan.
• Een lange analoge microfoonkabel naast een schakelaar leggen. Het resultaat is een hoorbaar gezoem; schakel over op een digitale microfoon of verleg de kabel en scherm deze af.
• De grond onder de microfoon splijten. Een onderbreking in de referentie veroorzaakt ruis; zorg voor een continue stroom.
• Een akoestisch onderdeel dat niet gereinigd mag worden, grondig reinigen. Vloeistof en resten in de poort verminderen de signaal-ruisverhouding (SNR); spreek het reinigingsproces vooraf af.

De beste aanpak is om drie dingen vast te leggen vóór de lay-out: sensortechnologie (MEMS voor SMT, ECM alleen bij handmatige aansluitingen), uitvoerformaat (digitaal voor arrays en lange routes) en poorttype (dat bepaalt of de printplaat een klankgat en afdichting nodig heeft). Bepaal deze zaken, geef uw fabrikant de footprint en akoestische eisen van de microfoonleverancier, en de rest van het ontwerp volgt vanzelf.

6. Waar microfoonboards gewonnen of verloren worden: boren, afplakken en afdichten

Een microfoonprintplaat is ongebruikelijk omdat het belangrijkste onderdeel ervan – de akoestische poort – tijdens de fabricage wordt gecreëerd en tijdens de assemblage wordt beschermd. De twee stappen kunnen dus niet los van elkaar worden behandeld. De fabrikant die het gat voor de onderste poort boort, moet ook de soldeermaskerlaag eromheen aanbrengen, en de assembleur die het MEMS-onderdeel plaatst, moet een luchtdichte soldeerverbinding maken en voorkomen dat soldeerflux of soldeerresten in de holte terechtkomen. Verdeel deze taken over twee leveranciers en precies daar waar de signaal-ruisverhouding (SNR) stilletjes verdwijnt, is de naad zichtbaar.

Highleap boort en maskeert de klankgaten en voert de fijnmazige SMT-assemblage uit op dezelfde lijn, met behulp van een proces zonder reiniging of poortbescherming en dezelfde geluidsarme werkwijzen die we toepassen bij de assemblage van audioversterkers . Stuur ons de afmetingen en akoestische eisen van de microfoonleverancier en wij controleren de klankgaten, de bescherming tegen ongewenste geluiden en de afdichting voordat de eerste printplaat wordt geproduceerd.

Vraag een offerte aan voor uw microfoon-PCB

7. Veelgestelde vragen

Moet er een gat in de printplaat van een microfoon zitten?

Dit geldt alleen voor microfoons met een poort aan de onderkant, waarbij het geluid via de basis van het component binnenkomt. Daarvoor is een klein doorvoergat in de printplaat direct onder de sensor nodig, uitgelijnd met de opening van de behuizing en omgeven door een afgedichte padring. Microfoons met een poort aan de bovenkant nemen het geluid via de behuizing op, waardoor de printplaat eronder intact blijft.

MEMS of elektret: welke is beter voor mijn product?

MEMS is de standaard voor vrijwel alle nieuwe ontwerpen: het is geschikt voor oppervlaktemontage, reflow-compatibel, consistent en compact. Elektretcondensatormicrofoons blijven aantrekkelijk wanneer kosten een cruciale factor zijn en het onderdeel handmatig kan worden afgewerkt in plaats van via reflow te worden gesoldeerd, aangezien de hitte van reflow het elektretelement kan beschadigen.

Wat is het verschil tussen analoge en digitale (PDM/I2S) microfoons?

Een analoge microfoon geeft een kleine spanning af die gevoelig is voor ruis op de printplaat. Een digitale microfoon zet geluid om in een PDM- of I2S-bitstroom binnen de behuizing, waardoor deze veel robuuster is over afstanden en de betere keuze is voor microfoonarrays en lange interne kabeltrajecten.

Waarom klinkt mijn microfoon gedempt of ruisend?

De meest voorkomende oorzaken zijn een verstopte, te kleine of slecht afgedichte akoestische poort, en elektrische ruis die in een analoog signaal terechtkomt. Op een microfoonprintplaat zijn audioproblemen meestal terug te voeren op de afdichting van de poort, de massa-aansluiting of ontkoppeling van de voeding, in plaats van op de sensor zelf.

Welke signaal-ruisverhouding (SNR) moet ik zoeken in een MEMS-microfoon?

Voor heldere spraak en algemeen gebruik is 64-65 dB(A) en hoger een goed streefdoel; hoogwaardige en verre-veld ontwerpen gebruiken componenten met een signaal-ruisverhouding van meer dan 70 dB(A). Een hogere signaal-ruisverhouding betekent een lagere eigenruisvloer, wat vooral belangrijk is bij stille of verre geluidsbronnen.

Kunnen microfoonprintplaten na montage gewassen worden?

Dat kan, maar de akoestische poort moet beschermd worden. Veel microfoonprintplaten gebruiken een reinigingsproces dat niet gereinigd hoeft te worden, of een beschermfolie, zodat er geen vloeistof of resten in de poort terechtkomen. De reinigingsmethode moet vóór de assemblage met de fabrikant worden afgesproken.