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

本電路用于實(shí)現(xiàn)模擬MEMS麥克風(fēng)與麥克風(fēng)前置放大器的接口，如圖1所示。ADMP504由一個(gè)MEMS麥克風(fēng)元件和一個(gè)輸出放大器組成。ADI公司的MEMS麥克風(fēng)具有高信噪比(SNR)和平坦的寬帶頻率響應(yīng)，堪稱高性能、低功耗應(yīng)用的絕佳選擇。
SSM2167是一款低壓、低噪聲單聲道麥克風(fēng)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(yùn)算放大器。壓縮麥克風(fēng)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(fēng)所接收語音信號的清晰度。

電路描述

ADMP504模擬MEMS麥克風(fēng)通過一個(gè)0.1 μF電容連接到SSM2167 INPUT引腳。此耦合電容是必需的，因?yàn)辂溈孙L(fēng)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(fēng)與前置放大器輸入之間的交流耦合電容形成一個(gè)高通濾波器。

圖1. 模擬MEMS麥克風(fēng)與前置放大器的連接

此濾波器的-3 dB轉(zhuǎn)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(zhuǎn)折頻率為16 Hz。增加電容大小會降低濾波器轉(zhuǎn)折頻率。
SSM2167 fs真均方根電平檢測器的時(shí)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(shí)間常數(shù)，這是適合語音信號的合理設(shè)置。該時(shí)間常數(shù)控制均方根檢測器的均值和壓縮器的釋放時(shí)間。此處使用的較小電容將給出較短時(shí)間常數(shù)，更大的電容將產(chǎn)生更長的時(shí)間常數(shù)。時(shí)間常數(shù)單位為毫秒，計(jì)算公式為10 × CAVG，其中CAVG單位為μF。
麥克風(fēng)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(shí)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(shè)置噪聲門的閾值
R. COMP：設(shè)置壓縮比
ADMP504的靈敏度為-38 dBV，意味著-38 dBV時(shí)麥克風(fēng)將輸出94 dB SPL（1帕）的輸入信號。該麥克風(fēng)的最大輸入電平為120 dB SPL，在此電平下麥克風(fēng)輸出為-12 dBV。動態(tài)范圍為91 dB，因此麥克風(fēng)噪底位于-103 dBV。

圖2. 增益區(qū)域

增益從三個(gè)不同區(qū)域施加于SSM2167輸入信號——向下擴(kuò)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(shí)對向下擴(kuò)展點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)點(diǎn)之間的信號施加額外可變增益。
向下擴(kuò)展閾值是向下擴(kuò)展與壓縮區(qū)域間的邊界。該點(diǎn)通過選擇電阻RGATE（表1）來設(shè)置。輸入信號的閾值可設(shè)置為 77 dB與92 dB SPL間的一點(diǎn)，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(shè)置

向下擴(kuò)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(shí)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(zhuǎn)點(diǎn)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(shè)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(yīng)于麥克風(fēng)的108 dB SPL聲學(xué)輸入。該點(diǎn)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(xué)輸入電平的關(guān)系。

圖3. 電路輸出與輸入特性的關(guān)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(fù)載。100 kΩ電阻以接地耦合電容的后端為基準(zhǔn)，以避免在熱插拔負(fù)載時(shí)產(chǎn)生爆音。將負(fù)載硬連線至前置放大器輸出的設(shè)計(jì)則不需要該電阻。有關(guān)本電路的完整設(shè)計(jì)支持文檔包，請?jiān)L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(shè)置）下的噪底為-70 dBV。因此，兩個(gè)器件的噪底組合前，麥克風(fēng)信號的噪聲電平可增加20 dB以上，導(dǎo)致總體系統(tǒng)噪底劣化。例如，前置放大器壓縮比設(shè)置為10:1時(shí)，麥克風(fēng)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(fēng)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(dāng)麥克風(fēng)輸出信號電平低于向下擴(kuò)展閾值時(shí)，18 dB固定增益將施加于信號，使信號噪底遠(yuǎn)低于SSM2167的噪底。

常見變化

也可以用SSM2166代替SSM2167來設(shè)置本電路。SSM2166可用外部元件調(diào)節(jié)，而這些設(shè)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(gè)MEMS麥克風(fēng)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(fēng)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(jìn)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(yīng)連接到SSM2167板上的+3 V JP3測試點(diǎn)；該點(diǎn)同時(shí)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(diǎn)以后請遵循應(yīng)用筆記AN-583中SSM2167Z-EVAL文件關(guān)于板設(shè)置和聆聽測試的說明。SSM2167評估板(SSM2167Z-EVAL)文檔提供系統(tǒng)設(shè)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。