選擇MEMS麥克風前置放大應(yīng)用的運算放大器

　　麥克風前置放大器電路用于放大麥克風的輸出信號來匹配信號鏈路中后續(xù)設(shè)備的輸入電平。將麥克風信號電平的峰值與ADC的滿量程輸入電壓匹配能夠最大程度地使用ADC的動態(tài)范圍，降低后續(xù)處理可能帶來的信號噪聲。

　　單個運算放大器可以簡單地作為MEMS麥克風輸出的前置放大器應(yīng)用于電路中。MEMS麥克風是一個單端輸出設(shè)備，因此單個運算放大器級可用于為麥克風信號增加增益或僅用于緩沖輸出。

　　該應(yīng)用筆記包含了設(shè)計前置放大器時需要考慮的有關(guān)運算放大器規(guī)格的關(guān)鍵內(nèi)容，展示了部分基礎(chǔ)電路，還提供了適合用于前置放大器設(shè)計中的ADI公司的運算放大器產(chǎn)品表格。此應(yīng)用筆記采用ADMP504MEMS麥克風為例，闡述了不同的設(shè)計選擇。該麥克風為模擬麥克風，信噪比(SNR)為65dB。采用不同的麥克風設(shè)計時，要求可能與該應(yīng)用筆記中所述不同，需要根據(jù)麥克風的噪聲、敏感度、最大聲學輸入和其他規(guī)格進行調(diào)整。

　　運算放大器規(guī)格

　　運算放大器有許多不同的規(guī)格和性能曲線，因此從中找出與您應(yīng)用相關(guān)的規(guī)格可能是件非常繁瑣的任務(wù)。對于麥克風前置放大器設(shè)計來說，部分規(guī)格比其他更重要;該應(yīng)用筆記簡述了此部分規(guī)格。

　　噪聲

　　運算放大器的噪聲值分為電壓噪聲和電流噪聲。通常，在前置放大器的設(shè)計中您僅需要考慮運算放大器的電壓噪聲。只有在使用高值(即高噪聲)電阻時，設(shè)計中才需要考慮電流噪聲。為了將電路的整體噪聲維持在低水平，通常采用低于10 kΩ的電阻。

　　運算放大器的電壓噪聲采用噪聲密度單位nV/√Hz定義。與電路帶寬相關(guān)的器件噪聲，您需要將此噪聲密度乘上帶寬的平方根。請注意該簡易公式僅適用于在頻率范圍內(nèi)統(tǒng)一的噪聲頻譜，如圖1所示。

　　對于20kHz的帶寬，該乘數(shù)因子為141。舉ADA4075-2為例，其噪聲密度為2.8 nV/√Hz乘以141，因此噪聲電平為0.395μV或-128 dBV。運算放大器的噪聲密度通常在數(shù)據(jù)手冊的典型特性部分的表格中顯示，且通常顯示其整個頻率范圍內(nèi)的曲線。該圖表可用于查看在何頻率下運算放大器噪聲將取決于1/f噪聲。對于許多運算放大器來說，這個點通常低于音頻頻帶(20Hz)低端，但是噪聲密度的曲線仍然值得一看，且不能僅參考噪聲密度指數(shù)來完全描述噪聲性能。圖1為ADA4075-2數(shù)據(jù)手冊中的噪聲密度圖實例。請注意圖1中1/f轉(zhuǎn)折點約為10Hz，遠低于MEMS麥克風前置放大器電路的目標頻帶。

　　圖1. ADA4075-2電壓噪聲密度

　　ADMP504模擬MEMS麥克風的SNR(A加權(quán))為65 dB ，敏感度為-38 dBV。因此，在20 kHz帶寬內(nèi)本底噪聲為-103 dBV。這相當于50 nV/√Hz的噪聲密度，約與150 kΩ電阻的熱噪聲相同。

　　對于運算放大器來說，比麥克風更加低噪非常重要，因此從噪聲方面考慮，前置放大器電路要盡量的透明性。一個非常好的做法是運算放大器的噪聲比麥克風本身低至少10dB，以將其對于全局噪聲的影響最小化。為了使用ADMP504前置放大器實現(xiàn)該目的，運算放大器的最高本底噪聲為-113 dBV或15.9 nV/√Hz。表1中的大部分運算放大器都遠低于該限值，其中不低于該限值的運算放大器仍被列出因為它們具有其他可能在某些特殊設(shè)計中非常重要的參數(shù)，例如用于低功耗設(shè)計的工作電流。請注意電路的總輸出噪聲電平將受所施加增益和電路中電阻的影響，而不僅僅取決于運算放大器?？梢酝ㄟ^選擇足夠小的電阻來使其對總電路噪聲的影響最小。

　　壓擺率

　　運算放大器的壓擺率指其輸出電壓從一個電壓值到另一個值的改變(或擺動)速度有多快。該參數(shù)的單位通常為V/μs。前置放大器電路必須支持的最高壓擺率為

　　SR = 2 ×π× fMAX×VP

　　其中fMAX為前置放大器需要支持的最高頻率(音頻通常為20kHz)，VP為運算放大器輸出的峰值電壓電平。如果峰值輸出電壓為+12V (8.5VRMS)，則運算放大器的壓擺率最低為1.5V/μs。

　　事實上，大部分音頻信號在高頻率區(qū)不會達到滿程電壓，但是設(shè)計前置放大器時還是應(yīng)該考慮到此種可能性。通常電路設(shè)計中壓擺率指數(shù)不應(yīng)該設(shè)計過高。在設(shè)計中您可以使用一個壓擺率足夠快的運算放大器來處理最高目標頻率，但是無需高出該限值太多。

　　總諧波失真加噪聲(THD + N)

　　關(guān)于運算放大器電路中總諧波失真加噪聲(THD + N)的討論很容易變成一個復(fù)雜的討論。許多原因都可能導(dǎo)致失真，包括壓擺率限制、輸出負載以及運算放大器的內(nèi)部失真特性。THD通常定義為一個比例，表示為一個百分比或者用dB值表示。該比例為信函諧波失真部分的幅度與輸入基頻幅度的比值，因此數(shù)值越小(小百分比值或負dB值)表示其THD + N性能越好。

　　THD + N參數(shù)為指定帶寬噪聲與THD之和。并非所有運算放大器數(shù)據(jù)手冊的規(guī)格表格中都會包含該值，即便沒有改值，通常數(shù)據(jù)手冊中會包含一張THD(或THD+N)與頻率的曲線圖。圖2顯示了ADA4075-2數(shù)據(jù)手冊中該值的實例。

　　圖2. ADA4075-2 THD + N與頻率的關(guān)系

　　電源電壓

　　運算放大器的電壓通常表示為一個范圍，例如3V至30V，這標示了V+和V-電壓引腳之間最小值和最大值的區(qū)別。運算放大器可以采用單電源將V-接地或者采用雙極性電源將V+和V-分別設(shè)置為等值的正負值(例如±15V)。

　　需要選擇合適的電源電壓以保證運算放大器的輸出不對給定的電源軌削波。有些運算放大器以軌到軌方式工作，這表示輸入或輸出電壓(取決于具體的參數(shù))可以在不削波的情況下可以一直調(diào)到軌電壓。如果運算放大器不是軌到軌方式，數(shù)據(jù)表中將標示最大輸入和輸出電壓;請注意正負電壓最大值可能不同。

　　信號的峰值輸出電壓顯然與前置放大器電路提供的增益有關(guān)。ADMP504的峰值輸出電壓為0.25Vrms。當ADMP504連接至增益為20 dB(10×增益)的前置放大器，其峰值輸出電壓為2.5Vrms，即7.0VP-P。因此，該電路需要至少7.0V電源電壓或±3.5的軌到軌輸出運算放大器。如果運算放大器輸出不是軌到軌，則電源電壓需要更高值。

　　模擬MEMS麥克風工作電壓為1.5V至3.3V。表1中列出的部分運算放大器最低電源電壓為2.7V，因此在低功耗單電源電路中麥克風的電源電壓VDD必須介于2.7和3.3V之間。

　　表1. 音頻運算放大器

　　增益帶寬積

　　增益帶寬積(GBP)正如其名，是放大器帶寬(采用低通-3 dB轉(zhuǎn)折)和加于輸入信號上的增益的乘積。大部分針對MEMS麥克風的前置放大器設(shè)計不需要附加大于40 dB的增益，即因子為100。設(shè)計帶寬至少為50 kHz的前置放大器應(yīng)該提供部分余量保證運算放大器的帶寬限制不會影響更高的音頻頻率。帶6.5 MHz GBP的運算放大器，例如ADA4075-2，在一個增益為40 dB的電路中將在信號開始滾降之前的通帶最高為65 kHz。

　　數(shù)據(jù)手冊中典型性能特性部分繪制的規(guī)格曲線為增益與頻率的關(guān)系。這張ADA4075-2數(shù)據(jù)手冊中的圖(見圖3)顯示了運算放大器的開環(huán)增益與頻率的關(guān)系。

　　圖3. ADA4075-2開環(huán)增益和相位與頻率的關(guān)系

　　其他規(guī)格

　　此外根據(jù)電路具體的用處，還需要考慮其他規(guī)格。例如，如果前置放大器需要驅(qū)動低阻抗負載，例如耳機，您將需要選擇具有高驅(qū)動能力的運算放大器。

　　運算放大器的電源電流通常指放大器的空載電流。低功耗電路設(shè)計顯然采用低電源電流的運算放大器最合適。運算放大器的噪聲和電源電流通常成反比，因此需要在音頻性能和功耗之間進行取舍。

　　最后，也有些其他規(guī)格您不需要考慮。失調(diào)電壓通常被認為是運算放大器的一個重要規(guī)格，但對于ac耦合的前置放大器應(yīng)用并不重要。

　　電路

　　基本的前置放大器電路有兩種設(shè)置：反相和同相。該部分描述了這兩種設(shè)置的使用和優(yōu)點。

　　此類電路不顯示電源或旁通電容。雖然電源盒旁通電路對于電路性能非常重要，但是顯示這兩個規(guī)格對于描述前置運算功能并不重要。大部分運算放大器的數(shù)據(jù)手冊和AN-202應(yīng)用筆記：IC放大器耦合、接地以及隨機應(yīng)變中都包含您設(shè)計需要的更多有關(guān)去耦電容和接地技術(shù)的信息。您還可以在運算放大器數(shù)據(jù)手冊中獲得更多其它更專業(yè)的音頻電路。

　　同相

　　同相前置放大器電路的輸出和其輸入極性相同。在信號極性需要保持不反相的應(yīng)用中此類電路非常適合。圖4顯示的配置中同相運算放大器電路的增益為G = (R1 + R2)/R1。

　　圖4.同相前置放大器電路

　　該配置具有非常高的輸入阻抗，因為麥克風信號直接與運算放大器的同相輸入直接相連。C1是由于MEMS麥克風輸出偏置在0.8V而采用的一個隔直電容。該電容在該配置中不需要非常大，因為運算放大器的輸入阻抗非常高。

　　相對于反相拓撲而言，同相拓撲電路更需要考慮共模抑制規(guī)格。在同相電路中，共模電壓能導(dǎo)致輸出信號的失真。運算放大器的數(shù)據(jù)手冊通常會顯示共模抑制比(CMRR)與頻率的關(guān)系供您參考，用于決定音頻頻帶中某個具體器件的性能。這對于反相電路則不是問題，因為反相電路沒有動態(tài)共模電壓;兩個輸入都保持為接地或虛擬接地。

　　反相

　　圖5顯示了一個反相運算放大器的電路。該電路的輸出極性與輸入反相，增益為G =-R2/R1。

　　圖5. 反相前置運算電路

　　反相電路的輸入阻抗等于R1。該電阻成了MEMS麥克風輸出的電壓分壓器，因此需要選擇足夠高的電阻值不加載麥克風的輸出，但也不能太大，為電路增加不必要的噪聲。模擬MEMS麥克風通常具有200Ω的輸出阻抗。如果R1選為2.0 kΩ，則電壓分頻器會將麥克風的輸出信號電平降低9%。

　　VOUT= (2.0 kΩ + 200Ω)/2.0 kΩ ×VIN= 0.91 ×VIN

　　直隔電容C1和R1會形成一個高通濾波器，因此C1應(yīng)選擇足夠大的值以確保該濾波器不會干擾麥克風的輸入信號。ADMP504的低頻轉(zhuǎn)折點為100 Hz。如果R1再次選擇2.0 kΩ，則2.2μF電容將形成一個頻率為40 Hz的-3 dB高通濾波器，遠低于麥克風的轉(zhuǎn)折頻率。

　　選擇至少比麥克風低一個頻程的截止頻率也是一項經(jīng)驗法則，除非需要實現(xiàn)一項具體的高通特性。

　　電壓跟隨器

　　如果反饋環(huán)路中沒有使用分壓電路，同相放大器也可用作電壓跟隨器。該電路非常適合在無法直接驅(qū)動較長的走線或者電纜時緩沖麥克風的輸出，可能不需要為信號增加額外的增益。

　　圖6. 電壓跟隨器

　　電壓跟隨器可在反相極前端用作緩沖器?？赡苄枰呐渲靡源_保能在反相電路中使用更低值的電阻。在無緩沖的情況下，反相極的輸入阻抗可能需要采用更低值以實現(xiàn)目標噪聲性能。在保證緩沖和第一個運算放大器的低輸出阻抗(與MEMS麥克風相比)的情況下，電阻R1和R2能選擇較低值以避免給電路造成額外的噪聲。

　　圖7.帶反相放大器的電壓跟隨器緩沖器

　　差分輸出

　　MEMS麥克風的單端輸出可用兩個運算放大器和兩個反相電路級(見圖8)以簡單的串聯(lián)結(jié)合轉(zhuǎn)換為一個差分信號。每級的輸出轉(zhuǎn)換為彼此反相，作為差分對。圖8顯示的電路中信號的放大發(fā)生在第一級，由R1和R2設(shè)置。電阻R3和R4值應(yīng)相等，為第二級提供單位增益。為了實現(xiàn)最佳性能，應(yīng)該采用1%電阻(或更好)來使兩級之間的誤差最小化。

　　該配置的一個缺點是一個輸出僅由一個放大器產(chǎn)生噪聲和失真，而第二級輸出則有兩個放大器產(chǎn)生噪聲和失真。第二個小問題是每個放大器之間存在一個非零延遲，因此差分輸出的兩側(cè)并非完全對齊。然而，這可能對差分信號的性能影響極小。

　　圖8. 差分輸出電路

　　圖7顯示的電壓跟隨器和反相放大器電路還可用于實現(xiàn)一個增益為1的差分信號。同相輸出可以從電壓跟隨器放大器輸出提取，反相輸出可以從反相放大器的輸出提取。在該配置中，R1和R2的值應(yīng)保持相同以達到統(tǒng)一的增益。

　　差分放大器，例如AD8273，也可用于實現(xiàn)單端至差分電路，從前文提到的問題方面考慮也可能具有更出色的性能。

　　圖9顯示了AD8273配置為單端至差分放大器。每個放大器配置為G=2，因此差分增益為4×。

　　圖9. AD8273單端轉(zhuǎn)差分配置，G = 4

　　運算放大器的選擇

　　ADI提供大量適合麥克風前置放大應(yīng)用的各種運算放大器產(chǎn)品。圖1顯示了部分此類元件的規(guī)格，根據(jù)電壓噪聲進行分類。不管您的應(yīng)用旨在實現(xiàn)最佳性能還是您需要設(shè)計一個性價比高的電路，總有一款應(yīng)用放大器能夠滿足您的需要。

　　性能仿真

　　ADI提供了用于仿真模擬電路的工具。NI Multisim器件評估板的ADI版本可用于快速建立一個電路并顯示其性能規(guī)格，包括頻率響應(yīng)和噪聲電平。該Multisim版本包含了大部分該庫中討論的大部分運算放大器，可以無需從不同源下載和管理SPICE模型就實現(xiàn)快速仿真。不同器件，包括運算放大器，可置入電路或取出以比較不同器件的性能。