選擇適合MEMS麥克風前置放大應用的運算放大器(一)

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用于電路中。MEMS麥克風是一個單端輸出設備，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。

該應用筆記包含了設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計中的ADI公司的運算放大器產(chǎn)品表格。此應用筆記采用ADMP504 MEMS麥克風為例，闡述了不同的設計選擇。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計時，要求可能與該應用筆記中所述不同，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用相關(guān)的規(guī)格可能是件非常繁瑣的任務。對于麥克風前置放大器設計來說，部分規(guī)格比其他更重要；該應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計中非常重要的參數(shù)，例如用于低功耗設計的工作電流。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。可以通過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+12 V （8.5 VRMS），則運算放大器的壓擺率最低為1.5 V/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，但是設計前置放大器時還是應該考慮到此種可能性。通常電路設計中壓擺率指數(shù)不應該設計過高。在設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雜的討論。許多原因都可能導致失真，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?。ㄐ“俜直戎祷蜇揹B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