Mikrofoner

Mikrofoner är elektromekaniska instrument som omvandlar tryckförändringar till elektriska signaler. Man kan dela in mikrofoner i dynamiska mikrofoner och kondensatormikrofoner. Utöver dessa får vi lägga till MEMS-mikrofoner som kommer mer och mer.

Kondensatormikrofoner heter så för att de använder en (varierande) kapacitans för för signalomvandlingen. Kapacitansen uppstår mellan två plattor där en (eller båda) laddats upp med en spänning. En av plattorna är ett rörligt membran, som fångar upp tryckförändringar i luften. När plattorna rör sig närmare och längre ifrån varandra varieras kapacitansen. Variationen plockas upp och förstärks för att få fram ljudsignalen – en varierande spänning.

Elektretmikrofoner (eng. Electret Condenser Microphone eller ECM) är en sorts kondensatormikrofon. De bygger på att ett på förhand uppladdat membran vibrerar i förhållande till en fast bottenplatta. Membranet är av ett material som håller spänningen i flera hundra år (en så kallad elektret). En JFET-transistor inuti mikrofonkapseln anpassar impedansen. Elektretmikrofoner behöver därför spänningsmatas. Ofta omkring 2-5V, men med strömbegränsande motstånd kan de fungera på många spänningar. 
Elektreter är billiga, kompakta, lätta att använda och har väldigt bra ljudkvalitet, särskilt sett till sitt pris. Frekvensomfånget är brett, ofta 20-20Khz, och utan större resonanser. Karaktäristiken är normalt rundtagande (omnidirektionell). Elektretmikrofoner sitter i allt från leksaker till telefoner, fältinspelare, IoT-utrustning, osv.

”Vanliga” kondensatormikrofoner fungerar ungefär likadant, men istället för en elektret används två ledande kondensatorplattor som laddas upp med en spänning, ofta 48V (så kallad fantomspänning). De används främst i musikutrustning. 

MEMS-mikrofoner tillverkas (etsas) direkt på ett halvledarmaterial. MEMS står för Micro Electro-Mechanical System, tekniken används annars i t.ex. accelerometrar. Ofta har MEMS-mikrofoner en inbyggd förstärkarkrets. Många har även en inbyggd A/D-omvandlare och skickar seriell data över t.ex. I2S eller med PDM (Pulse Density Modulation) istället för en analog spänning.
MEMS-mikrofoner kan byggas väldigt små och är relativt okänsliga för elektroniska störningar. De sitter ofta i mobiltelefoner och andra handhållna produkter där platsbrist är en faktor. Eftersom de kan tillverkas med väldigt snäva toleranser förekommer de också i matriser, för att t.ex. riktningsbestämma ljudkällor.

Den enklaste typen kallas dynamiska mikrofoner. De fungerar enligt samma princip som högtalare fast bakvänt: mikrofonens membran är fäst vid en spole av koppartråd. I närheten av spolen finns en fast magnet. När ljudtrycket förändras följer membranet efter, och spolen och magneten bildar en varierande spänning. Den spänningen är ljudsignalen. Dynamiska mikrofoner kräver ingen ström för att fungera och är tåliga, men konstruktionen är relativt stor och tung. De har inte heller lika bra känslighet eller frekvensomfång som kondensatormikrofoner.