具有壓縮和噪聲門的低噪聲模擬MEMS麥克風和前置放大器電路功能與優(yōu)勢

本電路用于實現(xiàn)模擬MEMS麥克風與麥克風前置放大器的接口，如圖1所示。ADMP504由一個MEMS麥克風元件和一個輸出放大器組成。ADI公司的MEMS麥克風具有高信噪比(SNR)和平坦的寬帶頻率響應，堪稱高性能、低功耗應用的絕佳選擇。
SSM2167是一款低壓、低噪聲單聲道麥克風前置放大器，非常適合用于低功耗音頻信號鏈。該前置放大器包括內(nèi)置壓縮和噪聲門，對本功能而言優(yōu)于在前置放大器電路內(nèi)僅使用運算放大器。壓縮麥克風信號的動態(tài)范圍可降低峰值信號電平，并給低電平信號增加額外增益。噪聲門限將信號電平衰減至特定閾值以下，以便僅放大所需信號，例如語音，并降低輸出信號內(nèi)的噪聲。這些特性有助于提高麥克風所接收語音信號的清晰度。

電路描述

ADMP504模擬MEMS麥克風通過一個0.1 μF電容連接到SSM2167 INPUT引腳。此耦合電容是必需的，因為麥克風輸出偏置到0.8 V，前置放大器輸入偏置到0.4 V。前置放大器輸入和麥克風與前置放大器輸入之間的交流耦合電容形成一個高通濾波器。

圖1. 模擬MEMS麥克風與前置放大器的連接

此濾波器的-3 dB轉折頻率為1/(2πRC)，其中C為電容大小，R為前置放大器的輸入阻抗(100 kΩ)。對于0.1 μF耦合電容，高通濾波器的轉折頻率為16 Hz。增加電容大小會降低濾波器轉折頻率。
SSM2167 fs真均方根電平檢測器的時間常數(shù)由連接到AVG CAP（引腳6）的電容大小控制。10 μF電容產(chǎn)生約100 ms的時間常數(shù)，這是適合語音信號的合理設置。該時間常數(shù)控制均方根檢測器的均值和壓縮器的釋放時間。此處使用的較小電容將給出較短時間常數(shù)，更大的電容將產(chǎn)生更長的時間常數(shù)。時間常數(shù)單位為毫秒，計算公式為10 × CAVG，其中CAVG單位為μF。
麥克風和前置放大器均可采用2.5 V至3.3 V的單電源供電。
SSM2167前置放大器在工作時需要一些額外的外部無源元件：
V. DD與地之間的10 μF電容
VCA. IN與BUFOUT之間的10 μF電容
OUTPUT引腳上的交流耦合電容.
SHUTDOWN引腳上的500 kΩ上拉電阻.
R. GATE：設置噪聲門的閾值
R. COMP：設置壓縮比
ADMP504的靈敏度為-38 dBV，意味著-38 dBV時麥克風將輸出94 dB SPL（1帕）的輸入信號。該麥克風的最大輸入電平為120 dB SPL，在此電平下麥克風輸出為-12 dBV。動態(tài)范圍為91 dB，因此麥克風噪底位于-103 dBV。

圖2. 增益區(qū)域

增益從三個不同區(qū)域施加于SSM2167輸入信號——向下擴展、壓縮和限制，如圖2所示。SSM2167對輸入信號施加固定的18 dB增益，同時對向下擴展點與旋轉點之間的信號施加額外可變增益。
向下擴展閾值是向下擴展與壓縮區(qū)域間的邊界。該點通過選擇電阻RGATE（表1）來設置。輸入信號的閾值可設置為 77 dB與92 dB SPL間的一點，或者在前置放大器的.55 dBV至.40 dBV輸入范圍內(nèi)。

表1. 噪聲門閾值設置

向下擴展與限制區(qū)域間是壓縮區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，可縮小或壓縮輸入信號的動態(tài)范圍，使輸出信號電平更為平滑和恒定。SSM2167最高可實現(xiàn)10:1的壓縮比。此向下壓縮器可將信號電平增加至旋轉點閾值下方。壓縮水平由電阻RCOMP控制，如表2所列。

表2. 壓縮比設置

壓縮和限制區(qū)域間的邊界固定于.24 dBV前置放大器輸入信號電平，它對應于麥克風的108 dB SPL聲學輸入。該點上方，在18 dB的固定增益后，前置放大器輸出將限于.6 dBV水平。

圖3顯示了在不同壓縮比下電路輸出電平與聲學輸入電平的關系。

圖3. 電路輸出與輸入特性的關系
SSM2167輸出偏置到1.4 V。與輸出信號串聯(lián)的10 μF交流耦合電容允許輸出連接到接地負載。100 kΩ電阻以接地耦合電容的后端為基準，以避免在熱插拔負載時產(chǎn)生爆音。將負載硬連線至前置放大器輸出的設計則不需要該電阻。有關本電路的完整設計支持文檔包，請訪問以下地址：www.analog.com/CN0262-DesignSupport。

噪聲性能

ADMP504和SSM2167都是低噪聲音頻器件。ADMP504 SNR為65 dB，提供-103 dBV噪底。SSM2167在10:1壓縮（最差噪聲設置）下的噪底為-70 dBV。因此，兩個器件的噪底組合前，麥克風信號的噪聲電平可增加20 dB以上，導致總體系統(tǒng)噪底劣化。例如，前置放大器壓縮比設置為10:1時，麥克風接收的100 dB SPL大信號輸出將給系統(tǒng)增加約24 dB的增益。這使麥克風信號的噪底變?yōu)?79 dBV (-103 + 24)。組合-79 dBV信號源與前置放大器的-70 dBV噪底，系統(tǒng)僅降低大約0.5 dB，因此以上條件下輸出信號的噪底約為-69.5 dBV。
當麥克風輸出信號電平低于向下擴展閾值時，18 dB固定增益將施加于信號，使信號噪底遠低于SSM2167的噪底。

常見變化

也可以用SSM2166代替SSM2167來設置本電路。SSM2166可用外部元件調(diào)節(jié)，而這些設置在SSM2167上是固定的。另外SSM2166的噪底低于SSM2167，且提供更大的封裝(14引腳SOIC_N)。
ADMP504也可用ADMP401、ADMP404或ADMP405來替代。后三個MEMS麥克風具有62 dB的SNR，而ADMP504的SNR為65 dB。ADMP401的靈敏度為.42 dBV，而ADMP504、ADMP404和ADMP405則為.38 dBV。ADMP405的低頻截止頻率為200 Hz，ADMP404則為100 Hz，除此之外二者完全相同。較高的截止頻率使得ADMP405能夠很好地降低低頻風噪。ADMP404和ADMP504引腳兼容。

電路評估與測試

可以使用ADMP504 (EVAL-ADMP504Z-FLEX)和SSM2167 (SSM2167Z-EVAL)的評估板并按照下面所述輕松進行連接。
EVAL-ADMP504Z-FLEX有3條輸出線：–VDD（紅色）、地（黑色）和輸出（白色）。VDD線路應連接到SSM2167板上的+3 V JP3測試點；該點同時為前置放大器板供電。地線可連接到JP3的GND。ADMP504板的輸出線可以直接連接到單聲道3.5 mm音頻插頭的JP2引腳或頂端，接地線連接到環(huán)孔。該插頭連接到SSM2167的評估板輸入插孔J1。
此點以后請遵循應用筆記AN-583中SSM2167Z-EVAL文件關于板設置和聆聽測試的說明。SSM2167評估板(SSM2167Z-EVAL)文檔提供系統(tǒng)設置說明，以及完整的電路板原理圖。唯一需要的外部連接是+3 V電源，以及J1和J2上的音頻輸入和輸出。