Projekt płytki PCB mikrofonu: Jak sama płytka wpływa na jakość dźwięku

Na płytce PCB mikrofonu , część, na której wszyscy się skupiają, to czujnik — ale płytka wokół niego wykonuje co najmniej połowę pracy. Droga, którą pokonuje sygnał, miejsce, w którym znajduje się masa, sposób, w jaki dźwięk dociera do membrany i jak czysto część jest przylutowana — wszystko to decyduje o tym, czy uchwycisz wyraźną mowę, czy też wypełnione syczeniem, puste nagranie. Ten przewodnik traktuje płytkę mikrofonową jako system akustyczny i elektryczny, nie tylko jako podstawę, i przeprowadza przez decyzje, które oddzielają cichą, czułą konstrukcję od hałaśliwej. Ten sam materiał ma zastosowanie niezależnie od tego, czy szukasz płytki PCB mikrofonu, płytki mikrofonu, płytki elektronicznej mikrofonu, płytki PCB mikrofonu MEMS czy płytki mikrofonu elektretowego — wszystkie sprowadzają się do czujnika, portu i uziemienia.

Poniżej przedstawiamy wyniki kontroli naszych inżynierów akustyki i montażu w Highleap Electronics w momencie, gdy mikrofon pojawia się na liście materiałów — przed wykonaniem płytki i przed pierwszym procesem lutowania rozpływowego.

1. Czym jest płytka PCB mikrofonu i dlaczego jest ona częścią akustyki

Mikrofonowa płytka drukowana to płytka drukowana, która fizycznie zawiera czujnik mikrofonu i przesyła jego sygnał wyjściowy – wraz z ewentualnym napięciem polaryzującym, filtrowaniem i masą odniesienia – do kodeka, mikrokontrolera lub wzmacniacza. W nowoczesnych projektach mikrofon jest prawie zawsze elementem montowanym powierzchniowo, więc płytka nie jest jedynie nośnikiem: stanowi część ścieżki akustycznej i odniesienia elektrycznego, od którego zależy działanie czujnika.

Jest to najbardziej widoczne w przypadku mikrofonów MEMS z dolnym portem, gdzie dźwięk w ogóle nie przechodzi przez komponent. Wchodzi przez otwór wywiercony w płytce drukowanej bezpośrednio pod czujnikiem. W tym przypadku średnica otworu w płytce, powłoka i uszczelnienie między mikrofonem a płytką są parametrami akustycznymi równie realistycznymi, co sama membrana.

Tor sygnałowy na typowej płytce mikrofonowej

W przypadku mikrofonu analogowego układ wygląda następująco: czujnik → obwód polaryzacji → ścieżka o wysokiej impedancji → kodek lub wejście przedwzmacniacza. W przypadku mikrofonu cyfrowego czujnik integruje wzmacniacz i przetwornik analogowo-cyfrowy, generując strumień PDM lub I2S sterowany zegarem. W obu przypadkach płytka musi chronić mały, wysokoimpedancyjny i łatwo ulegający zniekształceniom sygnał z zaszumionych obwodów cyfrowych i zasilania znajdujących się na tej samej płytce PCB.

Dlaczego zarząd decyduje o jakości dźwięku

Dwie płytki zbudowane z identycznym mikrofonem mogą brzmieć zupełnie inaczej. Szum pętli uziemienia, sprzężenie tętnień zasilania z linią polaryzacji, źle uszczelniony port akustyczny lub otwór rezonansowy o niewłaściwym rozmiarze – wszystko to może pogorszyć jakość nagrania. Czujnik ustala pułap jakości; płytka określa, ile z tego pułapu faktycznie osiągniesz.

2. MEMS kontra elektret, analogowy kontra cyfrowy: Wybór czujnika

Pierwszą decyzją, jaką należy podjąć przy projektowaniu płytki PCB mikrofonu, jest technologia czujnika i format jego wyjścia. Wybory te wpływają na cały układ, dlatego powinny być podejmowane na początku, a nie na końcu projektu.

MEMS kontra kondensator elektretowy (ECM)

Mikrofon MEMS to krzemowy mikroczujnik elektromechaniczny w niewielkiej obudowie do montażu powierzchniowego z wbudowanym wzmacniaczem. Można go lutować rozpływowo, charakteryzuje się wyjątkowo spójnym układem części, stabilnością temperaturową i kompaktowymi wymiarami – dlatego dominuje w telefonach, laptopach, słuchawkach dousznych i większości nowych konstrukcji. Mikrofon pojemnościowy elektretowy (ECM) wykorzystuje naładowaną membranę polimerową i tranzystor JFET; jest niedrogi i może brzmieć doskonale, ale zazwyczaj jest to obudowa przelotowa lub montowana przewodem, lutowana ręcznie lub podłączana oddzielnie, ponieważ element elektretowy może ulec uszkodzeniu pod wpływem ciepła lutowania rozpływowego.

Wyjście analogowe a cyfrowe

Mikrofon analogowy generuje niewielkie napięcie, które musi być ostrożnie kierowane do kodeka i jest podatne na zakłócenia po drodze. Mikrofon cyfrowy konwertuje dźwięk na bity wewnątrz obudowy, dzięki czemu jego wyjście PDM lub I2S jest znacznie bardziej stabilne na odległość i odporne na większość zakłóceń płytki – kosztem konieczności stosowania zegara i cyfrowego routingu. W przypadku macierzy wielomikrofonowych i długich ścieżek wewnętrznych, cyfrowa ścieżka prawie zawsze wygrywa; w przypadku najkrótszych i najprostszych projektów z jednym mikrofonem, analogowa ścieżka może być tańszą opcją.

Odczyt numerów arkusza danych

Wybór technologii zależy od dwóch parametrów. Stosunek sygnału do szumu (SNR) , wyrażony w dB(A), informuje o tym, jak niski jest własny szum mikrofonu — część o wartości 65 dB(A) jest wyraźnie czystsza niż część o wartości 58 dB(A) w przypadku odległych lub cichych źródeł. Czułość (w dBV/Pa dla sygnału analogowego, dBFS dla sygnału cyfrowego) określa poziom wyjściowy i pomaga dopasować wzmocnienie do sygnału wyjściowego. Punkt przeciążenia akustycznego (AOP) ma znaczenie w głośnym otoczeniu. Wybierz SNR dla przejrzystości, czułość dla poziomu, a AOP dla zapasu dynamiki.

3. Konstrukcja portu akustycznego: górny port, dolny port i uszczelnienie

Sposób, w jaki dźwięk fizycznie dociera do membrany, to najczęściej niedoceniany element projektu płytki drukowanej mikrofonu. Nieprawidłowe umiejscowienie portu może sprawić, że nawet wysokiej jakości czujnik będzie brzmiał stłumionym, rezonansowym lub hałaśliwym dźwiękiem.

Port górny kontra port dolny

Mikrofon z górnym portem ma wlot dźwięku na górnej ściance obudowy, więc płytka drukowana pod spodem jest solidna, a otwór znajduje się w obudowie produktu. Mikrofon z dolnym portem odbiera dźwięk przez otwór w podstawie, co oznacza, że ​​płytka drukowana musi mieć pasujący otwór przelotowy bezpośrednio pod czujnikiem, wyrównany z otworem akustycznym obudowy. Konstrukcje z dolnym portem są powszechne, ponieważ pozwalają kanałowi dźwiękowemu swobodnie przejść przez płytkę drukowaną do obudowy urządzenia, ale jednocześnie sprawiają, że płytka drukowana staje się elementem konstrukcyjnym akustyki.

Rozmiarowanie i wykańczanie otworu rezonansowego płytki PCB

Otwór rezonansowy to zazwyczaj niewielki otwór przelotowy o średnicy 0.25–0.5 mm, zabezpieczony przed pełzaniem maski lutowniczej i dopasowany do tolerancji podanej przez producenta. Wzór pola lutowniczego wokół niego zawiera uszczelniony pierścień, dzięki czemu pasta lutownicza tworzy hermetyczne uszczelnienie między mikrofonem a płytką — jeśli pasta dostanie się do otworu lub uszczelka przecieka, przednia i tylna komora akustyczna zwierają się, a współczynnik SNR spada. Otwór jest zazwyczaj pozostawiany bez powłoki lub poddawany kontrolowanej obróbce, zgodnie z wymiarami producenta mikrofonu, aby uniknąć zmiany jego efektywnej średnicy.

Zabezpieczenie portu podczas montażu

Ponieważ port musi pozostać otwarty i czysty, płytki PCB mikrofonów często wymagają procesu czyszczenia bez użycia środków czyszczących lub folii ochronnej podczas mycia, a także ostrożnego obchodzenia się z nimi, aby topnik, kurz lub powłoka ochronna nie dostały się do otworu. Jest to decyzja zarówno dotycząca procesu montażu, jak i układu, i powinna zostać uzgodniona z producentem przed rozpoczęciem produkcji.

4. Układ, uziemienie i izolacja szumów dla czystej płytki mikrofonowej

Po ustawieniu czujnika i portu, układ decyduje o tym, ile szumu dociera do sygnału. Kilka zdyscyplinowanych zasad przynosi największe korzyści.

• Utrzymuj krótkie i bezpośrednie ślady mikrofonu analogowego do kodeka, z dala od regulatorów przełączających, zegarów i anten.
• Zapewnia ciche i ciągłe odniesienie do podłoża pod mikrofonem i jego składowymi polaryzacji; należy unikać rozdzielania masy pod ścieżką sygnału.
• Odłączyć zasilanie przy mikrofonie, przy czym zalecany przez producenta kondensator umieszczono blisko pinu zasilania, aby zminimalizować tętnienia napięcia polaryzacji.
• Kieruj cyfrowy zegar PDM/I2S i dane jako dopasowaną, strzeżoną grupęi trzymaj ten zegar z dala od analogowych mikrofonów o tej samej konstrukcji.
• Umieść mikrofon z dala od źródeł ciepła i naprężeń mechanicznych — zarówno ugięcie płytki, jak i siły wkładania złącza mogą oddziaływać na czujnik.
• W wielomikrofonowych zestawach, dopasowują długości śladów i zachowują identyczną geometrię portu, dzięki czemu kształtowanie wiązki i redukcja szumów działają przewidywalnie.

Kiedy Highleap analizuje projekt mikrofonu w ramach projektu płytki drukowanej audio , sprawdzamy uziemienie pod mikrofonem, umiejscowienie izolacji oraz – w przypadku elementów dolnego portu – otwór rezonansowy i uszczelkę na rysunku wykonawczym, zanim cokolwiek zostanie zbudowane. Wykrycie brakującego elementu zabezpieczającego lub portu zanieczyszczonego maską na tym etapie nic nie kosztuje; znalezienie go po pierwszym artykule wypełnionym syczeniem jest znacznie droższe.

5. Typowe błędy w płytkach PCB mikrofonów i lepsze alternatywy

Większość problemów z płytkami PCB mikrofonów jest przewidywalna i można im zapobiec. To właśnie te powtarzające się problemy widzimy w projektach, które do nas trafiają.

• Zapominając o otworze rezonansowym PCB w mikrofonie umieszczonym w dolnym porcie. Płytka jest wykonana w całości, a sama część jest akustycznie martwa — błąd na poziomie ponownego obrotu wychwytywany jest dopiero po montażu.
• Dopuszczenie do zanieczyszczenia portu maską lutowniczą lub pastą. Pełzanie maski zwęża otwór, a pasta może go uszczelnić; oba zablokują reakcję. Zdefiniuj czyste, nieprzepuszczalne miejsce.
• Przepływ elementu elektretowego. Membrany ECM mogą tracić ładunek pod wpływem ciepła rozpływowego — należy zastosować część MEMS do montażu powierzchniowego SMT lub zakończyć elektret osobno.
• Uruchomienie długiego analogowego śladu mikrofonowego obok przełącznika. W rezultacie słychać pisk; należy przełączyć się na mikrofon cyfrowy lub zmienić jego trasę i osłonić go.
• Rozdzielanie gruntu pod mikrofonem. Przerwa w odniesieniu powoduje wzrost hałasu, dlatego należy zachować ciągłość nalewania.
• Agresywne mycie niewymagających czyszczenia części akustycznych. Płyn i pozostałości w porcie obniżają współczynnik SNR; należy ustalić proces czyszczenia na początku.

Lepszym rozwiązaniem jest ustalenie trzech rzeczy przed rozpoczęciem projektowania: technologii czujników (MEMS dla SMT, ECM tylko w przypadku ręcznego zaciskania), formatu wyjściowego (cyfrowego dla matryc i długich tras) oraz stylu portu (który decyduje, czy płytka PCB wymaga otworu rezonansowego i uszczelnienia). Zdecyduj o tym, przekaż producentowi informacje o wymiarach i wymaganiach akustycznych mikrofonu, a reszta projektu będzie prosta.

6. Gdzie wygrywa się lub przegrywa tablice mikrofonowe: wiercenie, maskowanie i uszczelnianie

Płytka mikrofonowa jest nietypowa, ponieważ jej najważniejszy element – ​​port akustyczny – powstaje podczas produkcji i jest chroniony podczas montażu, dlatego tych dwóch etapów nie można traktować oddzielnie. Wytwórca, który wierci otwór w dolnym porcie, musi również zabezpieczyć go maską lutowniczą, a monter, który umieszcza element MEMS, musi stworzyć hermetyczne uszczelnienie lutownicze i chronić gniazdo przed topnikiem i wymywaniem. Rozdzielenie tych elementów między dwóch dostawców, a szew to dokładnie miejsce, w którym SNR dyskretnie znika.

Firma Highleap wierci i maskuje otwór rezonansowy, a także wykonuje montaż SMT o wysokiej częstotliwości na tej samej linii, stosując proces bez czyszczenia lub z zabezpieczeniem portu oraz te same metody redukcji szumów, które stosujemy przy montażu wzmacniaczy audio . Prosimy o przesłanie danych dotyczących rozmiaru i wymagań akustycznych dostawcy mikrofonu, a my potwierdzimy port, zabezpieczenie i uszczelnienie przed zmontowaniem pierwszej płytki.

Uzyskaj wycenę płytki PCB mikrofonu

7. Często Zadawane Pytania

Czy płytka PCB mikrofonu wymaga otworu w płytce?

Tylko dla mikrofonów z dolnym portem, gdzie dźwięk wchodzi przez podstawę elementu. Wymagają one małego otworu przelotowego w płytce drukowanej, bezpośrednio pod czujnikiem, wyrównanego z otworem w obudowie i otoczonego uszczelnionym pierścieniem uszczelniającym. Mikrofony z górnym portem przenoszą dźwięk przez obudowę, dzięki czemu płytka pod nimi pozostaje nieruchoma.

MEMS czy elektret — co jest lepsze dla mojego produktu?

Technologia MEMS jest standardem w niemal wszystkich nowych projektach: jest przeznaczona do montażu powierzchniowego, kompatybilna z technologią rozpływową, spójna i kompaktowa. Mikrofony pojemnościowe elektretowe pozostają atrakcyjne, gdy koszt ma kluczowe znaczenie, a element można zakończyć ręcznie, zamiast lutować rozpływowo, ponieważ ciepło rozpływowe może uszkodzić element elektretowy.

Jaka jest różnica pomiędzy mikrofonami analogowymi i cyfrowymi (PDM/I2S)?

Mikrofon analogowy generuje niewielkie napięcie, które jest wrażliwe na szum płytki wzdłuż ścieżki. Mikrofon cyfrowy konwertuje dźwięk na strumień bitów PDM lub I2S wewnątrz obudowy, co czyni go znacznie bardziej odpornym na odległość i lepszym wyborem dla matryc mikrofonowych i długich ścieżek wewnętrznych.

Dlaczego mój mikrofon brzmi stłumiono lub głośno?

Najczęstszymi przyczynami są zablokowany, źle dobrany rozmiar lub słabe uszczelnienie portu akustycznego oraz sprzężenie zakłóceń elektrycznych z analogowym torem sygnału. Na płytce mikrofonowej problemy z dźwiękiem zazwyczaj wynikają z uszczelnienia portu, uziemienia lub odsprzęgnięcia zasilania, a nie z samego czujnika.

Na jaki współczynnik SNR powinienem zwrócić uwagę wybierając mikrofon MEMS?

Do wyraźnej mowy i ogólnego użytku, dobrym celem jest poziom 64–65 dB(A) i wyższy; konstrukcje premium i dalekiego zasięgu wykorzystują elementy o poziomie powyżej 70 dB(A). Wyższy współczynnik SNR oznacza niższy poziom szumu własnego, co ma największe znaczenie w przypadku cichych lub oddalonych źródeł.

Czy płytki PCB mikrofonu można myć po montażu?

Mogą, ale port akustyczny musi być zabezpieczony. Wiele płytek mikrofonowych wykorzystuje proces czyszczenia bez czyszczenia lub folię ochronną, aby płyny i pozostałości nie dostały się do portu. Sposób czyszczenia należy uzgodnić z monterem przed montażem.