Электретный микрофон - самый массовый преобразователь звука в электрический сигнал за всю историю техники. Он живёт в смартфонах, петличках, гарнитурах, веб-камерах, слуховых аппаратах, измерительных шумомерах и миллиардах других устройств. При этом его устройство изящно до предела: тонкая полимерная плёнка несёт на себе заряд, который был "заморожен" в неё на заводе, и этого заряда хватает на десятилетия работы без всякого внешнего источника поляризующего напряжения. Внутри крошечной капсулы диаметром несколько миллиметров умещается конденсаторный преобразователь и полевой транзистор-повторитель, а внешней схеме достаточно подать пару вольт через один резистор. Разберём, как это работает, почему такая конструкция вытеснила почти все конкуренты и где проходят границы её возможностей.
Полимерная плёнка с замороженным зарядом
Слово "электрет" построено по аналогии со словом "магнит". Магнит хранит постоянное магнитное поле, электрет - постоянное электрическое. Это диэлектрик, в котором заряды или ориентированные диполи зафиксированы в объёме или на поверхности настолько прочно, что материал ведёт себя как постоянный источник электрического поля. Физически электрет - точный двойник магнита, только в электрическом мире, и именно поэтому его назвали "по имени" в противоположность магниту: вместо намагниченности - наэлектризованность.
Практическим материалом для микрофонных электретов стали фторполимеры - прежде всего тефлон и его родственник FEP, фторированный этиленпропилен. Плёнка толщиной порядка 6–25 микрометров металлизируется с одной стороны тончайшим слоем золота, алюминия или никеля - это один из электродов будущего конденсатора. Затем плёнку заряжают: пропускают через коронный разряд, облучают электронным пучком или выдерживают в сильном электрическом поле при нагреве с последующим охлаждением в поле. Заряды внедряются в поверхностный слой полимера и попадают в глубокие энергетические ловушки - дефекты молекулярной структуры, из которых выбраться очень трудно. Именно глубина ловушек определяет долговечность: время жизни заряда оценивается десятилетиями, а у качественных FEP-электретов дрейф чувствительности составляет доли децибела за годы хранения при комнатной температуре.
Устройство бывает двух топологий. В схеме с электретной мембраной заряженная плёнка сама служит подвижной диафрагмой. В схеме с обратной электретной пластиной (back-electret) заряд нанесён на неподвижный тыловой электрод, а мембрана - просто тонкая металлизированная плёнка без заряда. Второй вариант технологичнее и стабильнее, поэтому в массовых капсулах доминирует именно он.
Конденсаторная капсула и уравнение U = Q/C
Сердце микрофона - плоский конденсатор. Один его электрод - мембрана, второй - жёсткая перфорированная тыловая пластина, отделённая воздушным зазором порядка 10–30 микрометров. Звуковое давление изгибает мембрану, расстояние между электродами меняется, а вместе с ним меняется и ёмкость: чем ближе пластины, тем она больше.
Ключевой фокус электрета в том, что заряд Q на этом конденсаторе практически постоянен - стекать ему некуда, изоляция фторполимера и воздушного зазора огромна. А раз Q закреплено, то по формуле U = Q/C напряжение на обкладках обязано колебаться в точном такт колебаниям ёмкости, то есть в такт звуковой волне. Никакого внешнего источника постоянного напряжения для поляризации не требуется: роль "батарейки" играет сам замороженный заряд, эквивалентный поляризующему напряжению порядка 100–300 вольт, если пересчитать поверхностную плотность заряда на зазор.
Ситуацию стоит сравнить с классическим студийным конденсаторным микрофоном. Там конструкция ровно та же - мембрана и тыловая пластина, - но заряда в материалах нет, и его создают извне, подавая поляризующее напряжение 40–80 вольт (в отдельных ламповых конструкциях и больше) через гигаомный резистор. Родство конструкций полное: и там и там постоянный заряд и переменная ёмкость. Разница только в том, где взялся заряд - заморожен на заводе в полимере или каждую секунду поддерживается источником питания.
Именно эта встроенная "батарейка" объясняет, почему электретному микрофону не нужно фантомное питание 48 вольт. В настоящем конденсаторном микрофоне высокое напряжение нужно и для поляризации капсулы, и для питания предусилителя, поэтому индустрия приняла стандарт P48 с подачей напряжения прямо по сигнальным жилам. Электрету поляризация не нужна вовсе, а его крошечному транзистору хватает пары вольт. Отсюда главное практическое преимущество: капсула работает от любой микросхемы, от батарейки закладки в петличке, от смещения звуковой карты или микрофонного входа телефона.
Встроенный JFET-повторитель внутри капсулы
Сам конденсаторный преобразователь - источник сигнала с чудовищно высоким выходным сопротивлением. Ёмкость капсулы составляет всего 5–20 пикофарад, а токать в нагрузку она почти не может: любая сколько-нибудь осязаемая нагрузка просадит сигнал и срежет низкие частоты, превратив капсулу в фильтр верхних частот. Напрямую вынести сигнал наружу по кабелю невозможно - уже метр провода имеет ёмкость в десятки пикофарад, которая просто зашунтирует капсулу.
Поэтому прямо внутри корпуса, на той же керамической подложке, размещён полевой транзистор с изолированным затвором p-n-переходного типа - JFET, включённый повторителем истока. Входное сопротивление его затвора измеряется сотнями мегом и гигаомами: конденсатор работает практически на холостой ход, а на выходе транзистора появляется тот же сигнал, но уже от источника с сопротивлением в единицы килоом. С этого момента сигнал можно вести по экранированному проводу хоть на несколько метров.
Питание транзистора организовано по двухпроводной схеме: всего два вывода, земля и комбинированный вывод сигнала с питанием. Внешняя схема подаёт на него постоянное напряжение 2–10 вольт через нагрузочный резистор 1–10 килоом; переменная составляющая напряжения на этом же выводе и есть звуковой сигнал, который снимают через разделительный конденсатор. Ток потребления капсулы - сотни микроампер. Отсюда знаменитая простота включения: резистор на плюс питания, конденсатор на вход усилителя, и всё. Трёхпроводные версии с отдельным питанием существуют, но редки.
Чувствительность, шум и состязание со студийными собратьями
Типовая чувствительность электретной капсулы лежит в диапазоне от -40 до -60 дБ относительно 1 В/Па. Петличные и миниатюрные капсулы сидят ближе к -60, полудюймовые измерительные модели приближаются к -40. Собственный шум, выраженный как эквивалентное звуковое давление, обычно составляет 14–20 дБA у лучших экземпляров и 20–30 дБA у рядовых. Динамический диапазон, от собственного шума до уровня перегрузки, нередко превышает 100 дБ, а малые капсулы спокойно выносят 120–130 дБ SPL без заметных искажений, потому что жёсткая маленькая мембрана почти не прогибается.
Тем не менее профессиональные студии массово остаются верны настоящим конденсаторным микрофонам с поляризацией 60–80 вольт. Причины не в самом принципе, а в масштабе и бюджете. Студийная капсула имеет большую диафрагму дюймового калибра из позолоченного майлара или напылённого металла толщиной в единицы микрон, ювелирно выставленный зазор, а за ней - многокаскадный малошумящий предусилитель на дискретных транзисторах или лампе с тщательным согласованием. Большая площадь мембраны даёт больший полезный сигнал при той же плотности шума, поэтому эквивалентный шум лучших студийных экземпляров опускается до 5–7 дБA - недостижимая величина для капсулы размером с чечевичное зерно. Вдобавок схема с внешней поляризацией позволяет переключать диаграмму направленности, объединяя две капсулы в одном корпусе с регулируемым соотношением напряжений, чего электрет с фиксированным зарядом делать не умеет.
Справедливости ради, граница давно смазана: серьёзные измерительные микрофоны - в том числе эталонные капсулы для шумомеров и акустических стендов - нередко строятся именно на электретном принципе с обратной пластиной, потому что их стабильность по чувствительности со временем выше, чем у капсул с внешней поляризацией.
Химия и история замороженного заряда
Термин "электрет" предложил Уливье Хевисайд ещё в 1885 году, чисто умозрительно, по аналогии с магнитом. Первый реальный электрет получил японский физик Мототару Эгути в 1919–1922 годах, застывив смесь воска и канифоли в сильном электрическом поле: пока расплав твердел, диполи выстраивались вдоль поля и застывали, сохраняя поляризацию годами. Десятилетиями электрет оставался лабораторным курьёзом, пока в начале 1960-х инженеры Bell Laboratories не соединили электретную плёнку с конденсаторным преобразователем и не получили микрофон, которому не нужна высоковольтная поляризация. Массовый прорыв случился с появлением фторполимерных плёнок и дешёвых JFET - к 1970-м электретные капсулы вытеснили угольные и кристаллические микрофоны из телефонии, а дальше завоевали всю портативную электронику.
Химически судьба заряда решается в морфологии полимера. В аморфной фазе FEP цепи молекул образуют статистический клубок с дефектами, которые играют роль ловушек для носителей заряда. Чем глубже ловушка по энергии, тем выше температура, при которой заряд получает шанс рекомбинировать или утечь. У FEP характерные глубины ловушек обеспечивают время релаксации заряда, исчисляемое десятилетиями при 20–25 градусах, но лишь годами или месяцами при 80–100. Потому и существует известное эмпирическое правило: каждые десять градусов нагрева ускоряют старение электрета примерно вдвое-втрое.
Ограничения со стороны влаги температуры и старения
Главные враги электретного микрофона определяются теми же процессами, что и его достоинства. Нагрев разупорядочивает и высвобождает заряд; сильная влага осаждается на поверхности плёнки проводящей плёнкой воды, устраивая утечки и повышая шум; пыль и никотиновые смолы садятся на мембрану и меняют её натяжение и зазор; механические удары через годы могут сместить тыловую пластину. Качественные капсулы защищаются гидрофобными сетками, герметичными кольцами и силикагелевой атмосферой, но дешёвая ширпотреб-капсула в сыром микрофоне гарнитуры стареет заметно быстрее лабораторной.
С практической стороны ограничения выглядят так. Рабочий диапазон типичной капсулы примерно от -20 до +70 градуса, за его пределами начинается необратимый дрейф чувствительности. Длительная влажность выше 90 % вызывает рост шумового пола и паразитные трески. Напряжение питания ниже положенного снижает перегрузочную способность JFET до появления хрипов на громких звуках. Наконец, сама двухпроводная схема накладывает предел на соотношение сигнал-шум в длинных линиях, даже несмотря на повторитель.
- Влага и нагрев вызывают утечку заряда и ускоряют необратимый дрейф чувствительности.
- Механические повреждения мембраны и загрязнение зазора меняют частотную характеристику.
- Недостаточное смещение JFET обрезает динамический диапазон и появляются искажения.
- Длинные неэкранированные линии добавляют наводки даже после повторителя.
Где применяют электрет сегодня - перечислять почти бессмысленно, проще сказать, где его нет. Мобильные телефоны используют микроэлектретные и MEMS-разновидности с интегрированным усилителем; петлички телеведущих и лавалеры - классические капсулы диаметром 4–10 миллиметров; гарнитуры и слуховые аппараты - миниатюрные модели с тщательно подобранным JFET; измерительная акустика - прецизионные полудюймовые капсулы, калибруемые на десятилетия. И повсюду причина успеха одна: не нужен высоковольтный источник, схема из двух деталей, стабильность на годы и цена, при которой выбросить капсулу дешевле, чем ремонтировать. Элегантная физика плюс практичная химия - редкий случай, когда принцип, придуманный ещё до открытия электроники как явления, до сих пор кормит целую индустрию.