Дизайн друкованої плати мікрофона: як сама плата формує якість звуку

На друкованій платі мікрофона вся увага приділяється датчику, але плата навколо нього виконує щонайменше половину роботи. Шлях сигналу, де знаходиться заземлення, як звук досягає діафрагми та наскільки чисто припаяна деталь – все це вирішує, чи ви записуєте чітку мову, чи запис із шипінням і порожнистістю. У цьому посібнику плата мікрофона розглядається як акустична та електрична система, а не просто як посадковий елемент, і розглядаються рішення, які відрізняють тиху, чутливу конструкцію від шумної. Той самий матеріал застосовується незалежно від того, чи шукали ви друковану плату мікрофона, плату мікрофона, електронну плату мікрофона, друковану плату MEMS-мікрофона чи електретну плату мікрофона – все це зводиться до датчика, порту та заземлення.

Далі описано, що наші інженери з акустики та складання в Highleap Electronics перевіряють у момент появи мікрофона у специфікації матеріалів — до виготовлення плати та перед першим циклом пакування.

1. Що таке мікрофонна плата та чому вона є частиною акустики

Друкована плата мікрофона — це друкована плата, яка фізично містить датчик мікрофона та передає його вихідний сигнал — разом із будь-яким зміщенням, фільтрацією та опорним сигналом заземлення — до кодека, мікроконтролера або підсилювача. У сучасних конструкціях мікрофон майже завжди є компонентом поверхневого монтажу, тому плата є не просто носієм: вона є частиною акустичного тракту та електричного опорного сигналу, від якого залежить датчик.

Це найбільш очевидно для мікрофонів MEMS з нижнім портом, де звук взагалі не проходить через компонент. Він потрапляє через отвір, просвердлений у друкованій платі безпосередньо під датчиком. У цьому випадку діаметр отвору плати, покриття та ущільнення між мікрофоном і платою є параметрами акустичного дизайну, такими ж реальними, як і сама діафрагма.

Сигнальний ланцюжок на типовій мікрофонній платі

Для аналогового мікрофона ланцюг такий: датчик → мережа зміщення → високоомна траса → вхід кодека або попереднього підсилювача. Для цифрового мікрофона датчик об'єднує підсилювач та аналого-цифровий перетворювач, що виводить потік PDM або I2S, керований тактовою частотою. У будь-якому випадку, плата повинна захищати невеликий, високоомний, легко спотворюваний сигнал від шумних цифрових та силових схем, що знаходяться на одній друкованій платі.

Чому рада директорів вирішує питання якості звуку

Дві плати, побудовані з однаковою мікрофонною частиною, можуть звучати абсолютно по-різному. Шум заземлення, пульсації живлення на лінії зміщення, погано герметизований акустичний порт або резонаторний отвір неправильного розміру – все це погіршить якість запису. Датчик встановлює межу якості; плата визначає, якої межі цієї межі ви фактично досягнете.

2. MEMS проти електретних, аналогових проти цифрових: вибір датчика

Першим рішенням на будь-якій друкованій платі мікрофона є технологія датчика та його вихідний формат. Ці рішення поширюються на всю макетну схему, тому їх потрібно враховувати на початку проектування, а не в кінці.

MEMS проти електретного конденсатора (ECM)

MEMS -мікрофон — це кремнієвий мікроелектромеханічний датчик у крихітному корпусі для поверхневого монтажу з вбудованим підсилювачем. Він придатний для паяння оплавленням, надзвичайно стабільний від частини до частини, стабільний до перепадів температур і компактний — саме тому він домінує в телефонах, ноутбуках, навушниках і більшості нових розробок. Електретний конденсаторний мікрофон (ECM) використовує заряджену полімерну діафрагму та JFET; він недорогий і може звучати чудово, але зазвичай це наскрізний отвір або дротяний корпус, який паяється вручну або закінчується окремо, оскільки електретний елемент може бути пошкоджений теплом оплавлення.

Аналоговий проти цифрового виходу

Аналоговий мікрофон видає невелику напругу, яку потрібно ретельно направляти до кодека, і яка вразлива до шуму на цьому шляху. Цифровий мікрофон перетворює звук на біти всередині корпусу, тому його вихід PDM або I2S набагато стійкіший на відстані та стійкий до більшості шумів плати — ціною необхідності тактової частоти та цифрової маршрутизації. Для багатомікрофонних масивів та довгих внутрішніх доріжок цифровий варіант майже завжди перемагає; для найкоротших та найпростіших конструкцій з одним мікрофоном аналоговий варіант може бути дешевшим шляхом.

Читання номерів у технічному описі

Вибір технології визначається двома характеристиками. Співвідношення сигнал/шум (SNR) , що виражається в дБ(А), показує, наскільки тихий власний рівень шуму мікрофона — частина 65 дБ(А) є помітно чистішою, ніж частина 58 дБ(А) для віддалених або тихих джерел. Чутливість (в дБВ/Па для аналогового сигналу, дБFS для цифрового) встановлює рівень вихідного сигналу та допомагає узгодити каскад посилення нижче за течією. Точка акустичного перевантаження (AOP) має значення для гучних середовищ. Оберіть SNR для чіткості, чутливість для рівня, а AOP для запасу по перевантаженню.

3. Конструкція акустичного порту: верхній порт, нижній порт та герметизація

Те, як звук фізично досягає діафрагми, є частиною проектування друкованої плати мікрофона, яку найчастіше недооцінюють. Якщо неправильно підібрати порт, навіть преміальний сенсор звучатиме приглушено, резонансно або шумно.

Верхній порт проти нижнього порту

Мікрофон з верхнім портом має звуковий вхід на верхній поверхні корпусу, тому плата під нею є суцільною, а отвір знаходиться в корпусі виробу. Мікрофон з нижнім портом приймає звук через отвір у своїй основі, що означає, що друкована плата повинна мати відповідний наскрізний отвір безпосередньо під датчиком, вирівняний з акустичним отвором корпусу. Конструкції з нижнім портом є поширеними, оскільки вони дозволяють звуковому каналу чітко проходити через плату в корпус пристрою, але вони роблять друковану плату структурною частиною акустики.

Визначення розміру та обробка звукового отвору на друкованій платі

Резонаторний отвір зазвичай являє собою невеликий просвердлений отвір діаметром 0.25–0.5 мм, який утримується без розтягування паяльної маски та вирівнюється в межах допуску, зазначеного виробником. Малюнок контактних майданчиків навколо нього включає герметичне кільце, тому паяльна паста утворює герметичну прокладку між мікрофоном і платою — якщо паста потрапляє в отвір або протікає прокладка, передня та задня акустичні камери замикаються, і співвідношення сигнал/шум (SNR) знижується. Отвір зазвичай залишають без покриття або контрольовано покривають відповідно до розміру мікрофона, встановленим виробником, щоб уникнути зміни його ефективного діаметра.

Захист порту під час збірки

Оскільки порт має залишатися відкритим і чистим, друковані плати мікрофонів часто потребують процесу без очищення або захисної плівки під час миття, а також ретельного поводження, щоб флюс, пил або конформне покриття ніколи не потрапляли в отвір. Це рішення, яке залежить як від процесу складання, так і від компонування, і його слід узгодити з виробником перед складанням.

4. Розташування, заземлення та шумоізоляція для чистої мікрофонної плати

Після того, як датчик і порт налаштовані, компонування визначає, скільки шуму досягає сигналу. Кілька дисциплінованих правил забезпечують найбільшу користь.

• Робіть аналогові мікрофонні доріжки короткими та прямими до кодека, подалі від перемикаючих регуляторів, тактових генераторів та антен.
• Забезпечують тихий, безперервний наземний орієнтир під мікрофоном та його компонентами зміщення; уникайте розщеплення землі під сигнальним шляхом.
• Роз’єднання постачання на мікрофоні з рекомендованим виробником конденсатором, розміщеним близько до контакту живлення, щоб уникнути пульсацій на зміщенні.
• Маршрутизація цифрових годинників та даних PDM/I2S як узгодженої, захищеної групи, і тримайте цей годинник подалі від будь-якого аналогового мікрофона такого ж дизайну.
• Тримайте мікрофон подалі від тепла та механічного впливу — сили згинання плати та вставки роз'єму можуть взаємодіяти з датчиком.
• У багатомікрофонних масивах, узгоджувати довжини трас та підтримувати ідентичну геометрію портів, щоб формування променя та шумозаглушення працювали передбачувано.

Коли Highleap перевіряє конструкцію мікрофона як частину складання аудіодрукованої плати , ми перевіряємо заземлення під мікрофоном, розташування розв'язки та — для деталей нижнього порту — резонаторний отвір та ущільнення на виробничому кресленні, перш ніж щось збирати. Виявлення відсутнього блокувальника або порту, забрудненого маскою, на цьому етапі нічого не коштує; знайти його після першої ж статті, сповненої шипіння, набагато дорожче.

5. Поширені помилки друкованих плат мікрофонів та кращі альтернативи

Більшість проблем з друкованими платами мікрофонів є передбачуваними та їх можна запобігти. Це ті, що ми спостерігаємо повторювано у вхідних розробках.

• Забули про звуковий отвір на друкованій платі на мікрофоні з нижнім портом. Плата виготовлена ​​суцільно, а деталь акустично мертва — помилка рівня повторного обертання виявляється лише після складання.
• Забруднення порту паяльною маскою або пастою. Повзучість маски звужує отвір, а паста може його загерметизувати; обидва методи знищують реакцію. Визначте чистий захист від проникнення.
• Паяння електретного елемента. Діафрагми ECM можуть втрачати заряд під дією теплового нагріву оплавленням — використовуйте MEMS-деталь для поверхневого монтажу або окремо завершуйте підключення електрета.
• Проведення довгої аналогової мікрофонної доріжки поруч із перемикачем. Результатом є чутний свист; перемкніться на цифровий мікрофон або перенаправте його та екрануйте.
• Розщеплення землі під мікрофоном. Перерва в опорному сигналі створює шум; заливання має бути безперервним.
• Агресивне миття акустичної деталі, що не потребує очищення. Рідина та залишки в порту погіршують співвідношення сигнал/шум; узгодьте процес очищення заздалегідь.

Кращий підхід — зафіксувати три речі перед розмітуванням: технологію датчиків (MEMS для поверхневого монтажу, ECM лише за умови ручного підключення), формат виводу (цифровий для масивів та довгих маршрутів) та стиль порту (який визначає, чи потрібен друкованій платі звуковий отвір та герметизація). Визначтеся з ними, передайте виробнику інформацію про розмір мікрофона та акустичні вимоги, і решта дизайну буде чітко виконана.

6. Де виграють або програють мікрофонні дошки: свердла, маски та герметизація

Мікрофонна плата незвичайна тим, що її найважливіша функція — акустичний порт — створюється під час виготовлення та захищається під час складання, тому ці два етапи не можна розглядати окремо. Виробник, який свердлить отвір для нижнього порту, також повинен утримувати навколо нього паяльну маску, а складальник, який розміщує MEMS-деталь, повинен сформувати герметичне паяльне ущільнення та запобігти потраплянню флюсу та його вимиванню з порожнини. Розділіть ці умови між двома постачальниками, і шов стане саме тим місцем, де співвідношення сигнал/шум непомітно зникає.

Highleap свердлить та маскує звуковий отвір, а також виконує дрібнотонний поверхневий монтаж на одній лінії, використовуючи процес без очищення або захисту портів, а також ті ж методи зниження шуму, які ми застосовуємо до складання аудіопідсилювачів . Надішліть постачальнику мікрофонів інформацію про розмір та акустичні вимоги, і ми підтвердимо порт, захист від проникнення та герметизацію, перш ніж буде зібрано першу плату.

Отримайте цінову пропозицію на друковану плату вашого мікрофона

7. Часті питання

Чи потрібен отвір у друкованій платі мікрофона?

Тільки для мікрофонів з нижнім портом, де звук потрапляє через основу деталі. Для них потрібен невеликий наскрізний отвір у друкованій платі безпосередньо під датчиком, вирівняний з отвором корпусу та оточений герметичним кільцем контактної площадки. Мікрофони з верхнім портом пропускають звук через корпус, тому плата під ними залишається міцною.

MEMS чи електрет — що краще для мого продукту?

MEMS є стандартним для майже всіх нових конструкцій: він монтується на поверхні, сумісний з оплавленням, стабільний та компактний. Електретні конденсаторні мікрофони залишаються привабливими, коли вартість має вирішальне значення, і деталь можна обробляти вручну, а не оплавляти, оскільки тепло від оплавлення може пошкодити електретний елемент.

Яка різниця між аналоговими та цифровими (PDM/I2S) мікрофонами?

Аналоговий мікрофон видає невелику напругу, чутливу до шуму плати вздовж своєї доріжки. Цифровий мікрофон перетворює звук на бітовий потік PDM або I2S всередині корпусу, що робить його набагато стійкішим на відстані та кращим вибором для мікрофонних масивів та довгих внутрішніх трас.

Чому мій мікрофон звучить приглушено або шумно?

Найпоширенішими причинами є заблокований, неправильно підібраний розмір або погано герметизований акустичний порт, а також потрапляння електричного шуму в аналоговий сигнальний тракт. На мікрофонній платі проблеми зі звуком зазвичай пов'язані з герметизацією порту, опорним заземленням або розв'язкою живлення, а не з самим датчиком.

Яке співвідношення сигнал/шум слід шукати в MEMS-мікрофоні?

Для чіткого мовлення та загального використання гарним показником є ​​64–65 дБ(А) і вище; у преміальних та далекозорих конструкціях використовуються компоненти з рівнем шуму понад 70 дБ(А). Вищий SNR означає нижчий рівень власного шуму, що найбільше важливо для тихих або віддалених джерел.

Чи можна мити друковані плати мікрофона після складання?

Можна, але акустичний порт потрібно захистити. Багато мікрофонних плат використовують процес без очищення або захисну плівку під час очищення, щоб рідина та залишки ніколи не потрапляли в порт. Підхід до очищення слід узгодити зі складачем перед складанням.