選擇適合MEMS麥克風前置放大應用的運算放大器

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。運算放大器的數據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驗法則，除非需要實現一項具體的高通特性。

電壓跟隨器

如果反饋環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。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現目標噪聲性能。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)以簡單的串聯結合轉換為一個差分信號。每級的輸出轉換為彼此反相，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。為了實現最佳性能，應該采用1%電阻(或更好)來使兩級之間的誤差最小化。

該配置的一個缺點是一個輸出僅由一個放大器產生噪聲和失真，而第二級輸出則有兩個放大器產生噪聲和失真。第二個小問題是每個放大器之間存在一個非零延遲，因此差分輸出的兩側并非完全對齊。然而，這可能對差分信號的性能影響極小。

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現一個增益為1的差分信號。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的值應保持相同以達到統一的增益。

差分放大器，例如AD8273，也可用于實現單端至差分電路，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。每個放大器配置為G=2，因此差分增益為4×。

圖9. AD8273單端轉差分配置，G = 4

運算放大器的選擇

ADI提供大量適合麥克風前置放大應用的各種運算放大器產品。圖1顯示了部分此類元件的規格，根據電壓噪聲進行分類。不管您的應用旨在實現最佳性能還是您需要設計一個性價比高的電路，總有一款應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器件評估板的ADI版本可用于快速建立一個電路并顯示其性能規格，包括頻率響應和噪聲電平。該Multisim版本包含了大部分該庫中討論的大部分運算放大器，可以無需從不同源下載和管理SPICE模型就實現快速仿真。不同器件，包括運算放大器，可置入電路或取出以比較不同器件的性能。