選擇適合MEMS麥克風(fēng)前置放大應(yīng)用的運(yùn)算放大器_第1頁(yè)
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選擇適合MEMS麥克風(fēng)前置放大應(yīng)用的運(yùn)算放大器_第3頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、選擇適合mems麥克風(fēng)前置放大應(yīng)用的運(yùn)算放大器麥克風(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

2、 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

3、常采用低于10 k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0.395v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

4、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 k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,

5、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。可以通過(guò)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/s。前置放大器電路必須支持的最高壓擺率為sr = 2

6、 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/s。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(guò)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??傊C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、

7、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?。ㄐ“俜直戎祷蜇?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(méi)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

8、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

9、 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

10、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(kāi)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(jiàn)圖3)顯示了運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益與頻率的關(guān)系。圖3. ada4075-2開(kāi)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

11、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(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

12、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)辂溈孙L(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?,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(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)

13、具體器件的性能。這對(duì)于反相電路則不是問(wèn)題,因?yàn)榉聪嚯娐窙](méi)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200的輸出阻抗。如果r1選為2.0 k,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 k + 200)/2.0 k vin= 0.91 vin直隔電容c1和r1會(huì)形成一個(gè)高

14、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 k,則2.2f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(méi)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(wú)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??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(wú)緩

15、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(jiàn)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(lái)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

16、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(wèn)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(wèn)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

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