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來源：Digikey 作者：Nick Grillone, Applications Engineer, Same Sky 在音頻技術方面，駐極體電容式麥克風 (ECM) 是一種功能強大的經典聲音采集解決方案，性能可靠，適應性強，應用范圍廣。MEMS 麥克風 設計易于集成，外形緊湊，備受用戶青睞，而 ECM 則因豐富的安裝配置、廣泛的指向性模式和聲學多功能性而在電子設計中占有著重要地位。 本文將研究 ECM 工作原理，探討其內部電路和指向響應能力，從用于捕捉寬廣環境聲音的全向模式，到用于集中聲音隔離的單向配置。此外，還將探討靈敏度、信噪比 (SNR) 和頻率響應等關鍵性能指標，以期指導正確的元件選型。 駐極體電容式麥克風的基礎知識 駐極體電容式麥克風（ECM，也稱為電容式麥克風）通過駐極體工作。駐極體是一種永久帶電或極化的鐵電材料。駐極體的高電阻和化學穩定性可確保嵌入的電荷在數百年內保持完好無損，不會出現明顯的衰變。在英文里，“駐極體 (electret)”一詞來源于“靜電 (electrostatic)”和“磁體 (magnet)”的組合，反映了靜電荷嵌入材料的過程。這是通過排列駐極體中的靜電荷實現的，類似于通過磁疇排列產生磁鐵的方式。 這一固有特性在麥克風設計時具有顯著優勢。傳統的電容式麥克風需要外部極化電壓才能工作，而駐極體的內置靜電荷則沒有這項要求。這種簡化降低了電路設計的復雜性，使 ECM 能夠在緊湊的低功耗應用中高效工作，成為各種音頻系統的理想選擇。 駐極體電容器麥克風的工作原理是將振膜作為電容器的一塊極板，背板作為另一快極板。當聲波引起振膜振動時，振膜和背板之間的距離會發生變化，從而導致電容變化。這些變化由電容方程決定： C = Q / V 其中： Q = 電荷，以庫侖為單位（駐極體內嵌電荷，因此電荷量保持不變） C = 電容，以法拉為單位 V = 電位差，以伏特為單位 由于振膜運動導致電容 (C) 發生變化，電容器上的電壓 (V) 會隨之發生反比例變化，產生與聲音振動相對應的電信號。 然后，這一變化的電壓被饋送到麥克風內的場效應晶體管 (FET) 進行放大，以便更好地傳輸。輸出級上的直流阻斷電容器可消除任何不必要的直流偏移，從而確保輸出純凈的音頻信號。為在各種電子應用中捕捉聲音時，這種簡單、有效的設計使 ECM 成為可靠的選擇。 
圖 1：ECM 的工作原理。（圖片來源：Same Sky） 電容式駐極體麥克風的典型結構包括以下幾個關鍵部件： 無紡布：防止灰塵，同時允許聲音通過 外殼：封裝和保護內部零件 極性環 (polar ring)：加強用于振膜的駐極體材料 振膜：對聲音做出響應而振動，進而改變電容 墊片：用于保持振膜與背板間的距離 背板：構成電容器的固定電極 底座：提供結構支撐 銅環：確保導電性和電氣連接 PCB：用于容納 FET 和其他信號放大電路 ECM 的拆解和組裝結構如下圖所示。
圖 2：ECM 的零件分解圖。（圖片來源：Same Sky）
圖 3：ECM 的裝配圖。（圖片來源：Same Sky） ECM 的指向性或極性模式 駐極體電容式麥克風有不同的指向性或極性模式，決定了如何捕捉來自不同方向的聲音。指向性是一個關鍵規格，應根據應用和使用要求選擇。最常見的 ECM 指向模式包括全向（圖 4）、單向（圖 5）和降噪（圖 6）。
圖 4：全向極性模式。（圖片來源：Same Sky） 全向性麥克風可捕捉來自各個方向的聲音，非常適合錄制群聲或電話會議等應用。常見的拾音模式如圖所示，0° 代表麥克風前段，聲強從 0° 到 360° 呈放射狀分布。這種麥克風用途廣泛，但有缺點，即無法區分所需的聲音和環境噪聲，往往會拾取和放大環境聲音。
圖 5：單向極性模式。（圖片來源：Same Sky） 單向麥克風主要從一個方向捕捉聲音，從而減少不必要的背景噪聲，如說話聲、鍵盤咔嗒聲或紙張沙沙聲，因此成為人聲或語音應用的理想選擇。在這些應用中，隔離所需聲源至關重要。最常見的單向模式如圖 5 所示，具有寬拾音區域，在離軸 180° 處具有最大抑制能力。
圖 6：降噪極性模式。(圖片來源：Same Sky） 降噪麥克風或雙向麥克風用來過濾環境噪聲，同時聚焦于所需的聲源，因此非常適合嘈雜的環境。這種麥克風至少有兩個聲音端口：一個朝向所需的聲音，另一個朝向較遠的噪聲。近距離處的聲音會在振膜上產生更大的壓力梯度，從而更好地捕捉預期的音頻。近場效應經過調整，可確保靠近前端口的聲音具有平坦頻率響應，而來自其他角度的聲音則會出現明顯的中音和低音滾降。常見應用包括呼叫中心、直升機耳機和賽車手通信系統等。 ECM 的關鍵規格 除 ECM 的指向性外，在選擇組件時還需注意以下幾個參數： 靈敏度降低：麥克風供電電壓降低時的增益損失。 靈敏度：衡量麥克風的聲音檢測能力。具有高靈敏度，麥克風可以捕捉到較低的聲音或較遠的聲音，放大程度較小并能降低噪音。這一特性有助于確定麥克風是否適合音樂錄音等應用或在嘈雜環境中使用。 信噪比 (SNR)：表示所需的聲音（如語音或音樂）與麥克風捕捉到的背景噪聲之比，表示整體音頻的清晰度。 安裝方式：通過 PCB 引腳、帶或不帶連接器的導線引線以及端子來連接，是最常見的 ECM 安裝方式。端子安裝可進一步定義為用于回流焊接的表面貼裝或用于手工焊接的焊盤方式。 結語 駐極體電容式麥克風具有精確的聲音捕捉和多樣化指向性，在現代音頻技術中仍然是不可或缺的選擇。這種麥克風性能可靠，適應性強，成為各種各樣應用中必不可少的聲音部件，了解其工作和主要規格有助于用戶根據自己的需要選擇合適的麥克風。 |
