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

簡(jiǎn)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(hào)來(lái)匹配信號(hào)鏈路中后續(xù)設(shè)備的輸入電平。將麥克風(fēng)信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍，降低后續(xù)處理可能帶來(lái)的信號(hào)噪聲。

單個(gè)運(yùn)算放大器可以簡(jiǎn)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(gè)單端輸出設(shè)備，因此單個(gè)運(yùn)算放大器級(jí)可用于為麥克風(fēng)信號(hào)增加增益或僅用于緩沖輸出。

該應(yīng)用筆記包含了設(shè)計(jì)前置放大器時(shí)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(jì)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(jì)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(jì)時(shí)，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(duì)于麥克風(fēng)前置放大器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，部分規(guī)格比其他更重要；該應(yīng)用筆記簡(jiǎn)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(jì)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(shí)，設(shè)計(jì)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(qǐng)注意該簡(jiǎn)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(duì)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(cè)的典型特性部分的表格中顯示，且通常顯示其整個(gè)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(duì)于許多運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)，這個(gè)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(lái)完全描述噪聲性能。圖1為ADA4075-2數(shù)據(jù)手冊(cè)中的噪聲密度圖實(shí)例。請(qǐng)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(duì)于運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)，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(gè)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(duì)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(jì)中非常重要的參數(shù)，例如用于低功耗設(shè)計(jì)的工作電流。請(qǐng)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(lái)使其對(duì)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(gè)電壓值到另一個(gè)值的改變(或擺動(dòng))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(hào)在高頻率區(qū)不會(huì)達(dá)到滿程電壓，但是設(shè)計(jì)前置放大器時(shí)還是應(yīng)該考慮到此種可能性。通常電路設(shè)計(jì)中壓擺率指數(shù)不應(yīng)該設(shè)計(jì)過高。在設(shè)計(jì)中您可以使用一個(gè)壓擺率足夠快的運(yùn)算放大器來(lái)處理最高目標(biāo)頻率，但是無(wú)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(gè)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(gè)比例，表示為一個(gè)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(cè)的規(guī)格表格中都會(huì)包含該值，即便沒有改值，通常數(shù)據(jù)手冊(cè)中會(huì)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(cè)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(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(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。