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

簡介

麥克風(fēng)前置放大器電路用于放大麥克風(fēng)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(fēng)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(yùn)算放大器可以簡單地作為MEMS麥克風(fēng)輸出的前置放大器應(yīng)用于電路中。MEMS麥克風(fēng)是一個單端輸出設(shè)備，因此單個運(yùn)算放大器級可用于為麥克風(fēng)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(yùn)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(yùn)算放大器產(chǎn)品表格。此應(yīng)用筆記采用ADMP504 MEMS麥克風(fēng)為例，闡述了不同的設(shè)計選擇。該麥克風(fēng)為模擬麥克風(fēng)，信噪比(SNR)為65dB。采用不同的麥克風(fēng)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(fēng)的噪聲、敏感度、最大聲學(xué)輸入和其他規(guī)格進(jìn)行調(diào)整。

運(yùn)算放大器規(guī)格

運(yùn)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(fēng)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)算放大器噪聲將取決于1/f噪聲。對于許多運(yùn)算放大器來說，這個點(diǎn)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(shí)例。請注意圖1中1/f轉(zhuǎn)折點(diǎn)約為10Hz，遠(yuǎn)低于MEMS麥克風(fēng)前置放大器電路的目標(biāo)頻帶。

圖1. ADA4075-2電壓噪聲密度

ADMP504模擬MEMS麥克風(fēng)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(dāng)于50 nV/√Hz的噪聲密度，約與150 kΩ電阻的熱噪聲相同。

對于運(yùn)算放大器來說，比麥克風(fēng)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(yùn)算放大器的噪聲比麥克風(fēng)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(shí)現(xiàn)該目的，運(yùn)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(yùn)算放大器都遠(yuǎn)低于該限值，其中不低于該限值的運(yùn)算放大器仍被列出因?yàn)樗鼈兙哂衅渌赡茉谀承┨厥庠O(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(yùn)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(yùn)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(yùn)算放大器輸出的峰值電壓電平。如果峰值輸出電壓為+12 V (8.5 VRMS)，則運(yùn)算放大器的壓擺率最低為1.5 V/μs。

事實(shí)上，大部分音頻信號在高頻率區(qū)不會達(dá)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(yùn)算放大器來處理最高目標(biāo)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(yùn)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(fù)載以及運(yùn)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(fù)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(yùn)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(shí)例。

圖2. ADA4075-2 THD + N與頻率的關(guān)系

電源電壓

運(yùn)算放大器的電壓通常表示為一個范圍，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；請注意正負(fù)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0.25 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)和加于輸入信號上的增益的乘積。大部分針對MEMS麥克風(fēng)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(fù)載，例如耳機(jī)，您將需要選擇具有高驅(qū)動能力的運(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(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(yùn)算功能并不重要。大部分運(yùn)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(jī)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(yùn)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(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。

相對于反相拓?fù)涠?，同相拓?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)致輸出信號的失真。運(yùn)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?yàn)榉聪嚯娐窙]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(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，則電壓分頻器會將麥克風(fēng)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(fēng)的輸入信號。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(fēng)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)噪聲性能。在保證緩沖和第一個運(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運(yùn)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(shí)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(diǎn)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(shí)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(dá)到統(tǒng)一的增益。

差分放大器，例如AD8273，也可用于實(shí)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(yùn)算放大器的選擇

ADI提供大量適合麥克風(fēng)前置放大應(yīng)用的各種運(yùn)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(jìn)行分類。不管您的應(yīng)用旨在實(shí)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(yùn)算放大器，可以無需從不同源下載和管理SPICE模型就實(shí)現(xiàn)快速仿真。不同器件，包括運(yùn)算放大器，可置入電路或取出以比較不同器件的性能。