選擇適合MEMS麥克風(fēng)前置放大應(yīng)用的運(yùn)算放大器（二）

電源電壓

運(yùn)算放大器的電壓通常表示為一個(gè)范圍，例如3 V至30 V，這標(biāo)示了V+和V-電壓引腳之間最小值和最大值的區(qū)別。運(yùn)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(fù)值（例如±15 V）。

需要選擇合適的電源電壓以保證運(yùn)算放大器的輸出不對(duì)給定的電源軌削波。有些運(yùn)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(yùn)算放大器不是軌到軌方式，數(shù)據(jù)表中將標(biāo)示最大輸入和輸出電壓；請(qǐng)注意正負(fù)電壓最大值可能不同。

信號(hào)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0.25 Vrms。當(dāng)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2.5 Vrms，即7.0 VP-P。因此，該電路需要至少7.0 V電源電壓或±3.5的軌到軌輸出運(yùn)算放大器。如果運(yùn)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(fēng)工作電壓為1.5 V至3.3 V。表1中列出的部分運(yùn)算放大器最低電源電壓為2.7 V，因此在低功耗單電源電路中麥克風(fēng)的電源電壓VDD必須介于2.7和3.3 V之間。

表1. 音頻運(yùn)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(hào)上的增益的乘積。大部分針對(duì)MEMS麥克風(fēng)的前置放大器設(shè)計(jì)不需要附加大于40 dB的增益，即因子為100。設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器的帶寬限制不會(huì)影響更高的音頻頻率。帶6.5 MHz GBP的運(yùn)算放大器，例如ADA4075-2，在一個(gè)增益為40 dB的電路中將在信號(hào)開(kāi)始滾降之前的通帶最高為65 kHz。

數(shù)據(jù)手冊(cè)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(cè)中的圖（見(jiàn)圖3）顯示了運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益與頻率的關(guān)系。

圖3. ADA4075-2開(kāi)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(dòng)低阻抗負(fù)載，例如耳機(jī)，您將需要選擇具有高驅(qū)動(dòng)能力的運(yùn)算放大器。

運(yùn)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(jì)顯然采用低電源電流的運(yùn)算放大器最合適。運(yùn)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(jìn)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(rèn)為是運(yùn)算放大器的一個(gè)重要規(guī)格，但對(duì)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(diǎn)。

此類電路不顯示電源或旁通電容。雖然電源盒旁通電路對(duì)于電路性能非常重要，但是顯示這兩個(gè)規(guī)格對(duì)于描述前置運(yùn)算功能并不重要。大部分運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)和AN-202應(yīng)用筆記：IC放大器耦合、接地以及隨機(jī)應(yīng)變中都包含您設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)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(hào)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(yùn)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?yàn)辂溈孙L(fēng)信號(hào)直接與運(yùn)算放大器的同相輸入直接相連。C1是由于MEMS麥克風(fēng)輸出偏置在0.8V而采用的一個(gè)隔直電容。該電容在該配置中不需要非常大，因?yàn)檫\(yùn)算放大器的輸入阻抗非常高。

相對(duì)于反相拓?fù)涠裕嗤負(fù)潆娐犯枰紤]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(hào)的失真。運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)通常會(huì)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(gè)具體器件的性能。這對(duì)于反相電路則不是問(wèn)題，因?yàn)榉聪嚯娐窙](méi)有動(dòng)態(tài)共模電壓；兩個(gè)輸入都保持為接地或虛擬接地。

反相

圖5顯示了一個(gè)反相運(yùn)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(yùn)算電路

反相電路的輸入阻抗等于R1。該電阻成了MEMS麥克風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(huì)將麥克風(fēng)的輸出信號(hào)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(huì)形成一個(gè)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(huì)干擾麥克風(fēng)的輸入信號(hào)。ADMP504的低頻轉(zhuǎn)折點(diǎn)為100 Hz。如果R1再次選擇2.0 kΩ，則2.2μF電容將形成一個(gè)頻率為40 Hz的-3 dB高通濾波器，遠(yuǎn)低于麥克風(fēng)的轉(zhuǎn)折頻率。

選擇至少比麥克風(fēng)低一個(gè)頻程的截止頻率也是一項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)法則，除非需要實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)具體的高通特性。

電壓跟隨器

如果反饋環(huán)路中沒(méi)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(wú)法直接驅(qū)動(dòng)較長(zhǎng)的走線或者電纜時(shí)緩沖麥克風(fēng)的輸出，可能不需要為信號(hào)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。可能需要改配置以確保能在反相電路中使用更低值的電阻。在無(wú)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)噪聲性能。在保證緩沖和第一個(gè)運(yùn)算放大器的低輸出阻抗（與MEMS麥克風(fēng)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(fēng)的單端輸出可用兩個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)反相電路級(jí)（見(jiàn)圖8）以簡(jiǎn)單的串聯(lián)結(jié)合轉(zhuǎn)換為一個(gè)差分信號(hào)。每級(jí)的輸出轉(zhuǎn)換為彼此反相，作為差分對(duì)。圖8顯示的電路中信號(hào)的放大發(fā)生在第一級(jí)，由R1和R2設(shè)置。電阻R3和R4值應(yīng)相等，為第二級(jí)提供單位增益。為