選擇適合MEMS麥克風前置放大應用的運算放大器（二）

電源電壓

運算放大器的電壓通常表示為一個范圍，例如3 V至30 V，這標示了V+和V-電壓引腳之間最小值和最大值的區(qū)別。運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-分別設置為等值的正負值（例如±15 V）。

需要選擇合適的電源電壓以保證運算放大器的輸出不對給定的電源軌削波。有些運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。如果運算放大器不是軌到軌方式，數(shù)據(jù)表中將標示最大輸入和輸出電壓；請注意正負電壓最大值可能不同。

信號的峰值輸出電壓顯然與前置放大器電路提供的增益有關。ADMP504的峰值輸出電壓為0.25 Vrms。當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的軌到軌輸出運算放大器。如果運算放大器輸出不是軌到軌，則電源電壓需要更高值。

模擬MEMS麥克風工作電壓為1.5 V至3.3 V。表1中列出的部分運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的電源電壓VDD必須介于2.7和3.3 V之間。

表1. 音頻運算放大器

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）和加于輸入信號上的增益的乘積。大部分針對MEMS麥克風的前置放大器設計不需要附加大于40 dB的增益，即因子為100。設計帶寬至少為50 kHz的前置放大器應該提供部分余量保證運算放大器的帶寬限制不會影響更高的音頻頻率。帶6.5 MHz GBP的運算放大器，例如ADA4075-2，在一個增益為40 dB的電路中將在信號開始滾降之前的通帶最高為65 kHz。

數(shù)據(jù)手冊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系。這張ADA4075-2數(shù)據(jù)手冊中的圖（見圖3）顯示了運算放大器的開環(huán)增益與頻率的關系。

圖3. ADA4075-2開環(huán)增益和相位與頻率的關系

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)動低阻抗負載，例如耳機，您將需要選擇具有高驅(qū)動能力的運算放大器。

運算放大器的電源電流通常指放大器的空載電流。低功耗電路設計顯然采用低電源電流的運算放大器最合適。運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)電壓通常被認為是運算放大器的一個重要規(guī)格，但對于ac耦合的前置放大器應用并不重要。

電路

基本的前置放大器電路有兩種設置：反相和同相。該部分描述了這兩種設置的使用和優(yōu)點。

此類電路不顯示電源或旁通電容。雖然電源盒旁通電路對于電路性能非常重要，但是顯示這兩個規(guī)格對于描述前置運算功能并不重要。大部分運算放大器的數(shù)據(jù)手冊和AN-202應用筆記：IC放大器耦合、接地以及隨機應變中都包含您設計需要的更多有關去耦電容和接地技術的信息。您還可以在運算放大器數(shù)據(jù)手冊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。在信號極性需要保持不反相的應用中此類電路非常適合。圖4顯示的配置中同相運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，因為麥克風信號直接與運算放大器的同相輸入直接相連。C1是由于MEMS麥克風輸出偏置在0.8V而采用的一個隔直電容。該電容在該配置中不需要非常大，因為運算放大器的輸入阻抗非常高。

相對于反相拓撲而言，同相拓撲電路更需要考慮共模抑制規(guī)格。在同相電路中，共模電壓能導致輸出信號的失真。運算放大器的數(shù)據(jù)手冊通常會顯示共模抑制比（CMRR）與頻率的關系供您參考，用于決定音頻頻帶中某個具體器件的性能。這對于反相電路則不是問題，因為反相電路沒有動態(tài)共模電壓；兩個輸入都保持為接地或虛擬接地。

反相

圖5顯示了一個反相運算放大器的電路。該電路的輸出極性與輸入反相，增益為G =-R2/R1。

圖5. 反相前置運算電路

反相電路的輸入阻抗等于R1。該電阻成了MEMS麥克風輸出的電壓分壓器，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，則電壓分頻器會將麥克風的輸出信號電平降低9%。

VOUT= （2.0 kΩ + 200Ω）/2.0 kΩ × VIN= 0.91 × VIN

直隔電容C1和R1會形成一個高通濾波器，因此C1應選擇足夠大的值以確保該濾波器不會干擾麥克風的輸入信號。ADMP504的低頻轉(zhuǎn)折點為100 Hz。如果R1再次選擇2.0 kΩ，則2.2μF電容將形成一個頻率為40 Hz的-3 dB高通濾波器，遠低于麥克風的轉(zhuǎn)折頻率。

選擇至少比麥克風低一個頻程的截止頻率也是一項經(jīng)驗法則，除非需要實現(xiàn)一項具體的高通特性。

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)動較長的走線或者電纜時緩沖麥克風的輸出，可能不需要為信號增加額外的增益。

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現(xiàn)目標噪聲性能。在保證緩沖和第一個運算放大器的低輸出阻抗（與MEMS麥克風相比）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麥克風的單端輸出可用兩個運算放大器和兩個反相電路級（見圖8）以簡單的串聯(lián)結合轉(zhuǎn)換為一個差分信號。每級的輸出轉(zhuǎn)換為彼此反相，作為差分對。圖8顯示的電路中信號的放大發(fā)生在第一級，由R1和R2設置。電阻R3和R4值應相等，為第二級提供單位增益。為