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

　　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)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/麥克風(fēng)">麥克風(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題，因?yàn)榉聪嚯娐窙]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(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。為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，應(yīng)該采用1%電阻(或更好)來使兩級(jí)之間的誤差最小化。

　　該配置的一個(gè)缺點(diǎn)是一個(gè)輸出僅由一個(gè)放大器產(chǎn)生噪聲和失真，而第二級(jí)輸出則有兩個(gè)放大器產(chǎn)生噪聲和失真。第二個(gè)小問題是每個(gè)放大器之間存在一個(gè)非零延遲，因此差分輸出的兩側(cè)并非完全對(duì)齊。然而，這可能對(duì)差分信號(hào)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(gè)增益為1的差分信號(hào)。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(gè)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(jì)一個(gè)性價(jià)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(píng)估板的ADI版本可用于快速建立一個(gè)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(kù)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。