采用業界最小的運算放大器設計麥克風電路

　　語音指令是許多應用中的一種流行功能，也是讓產品具備差異化市場競爭力的優勢之一。麥克風是任何基于語音或語音的系統不可缺少的主要組成部分，而駐極體麥克風憑借體積小、低成本和高性能的特點成為了此類應用的常見選擇。 本文圍繞高性能、成本敏感型電路系列文章的主題，為大家介紹體積極小、成本優化的駐極體電容式麥克風前置放大器的設計。該設計采用TLV9061，這是業界最小的運算放大器(op amp)，采用0.8mm×0.8mm超小外形無引線(X2SON)封裝技術。駐極體麥克風放大器的電路配置如圖1所示。

　　圖 1：同相駐極體麥克風放大器電路

　　大多數駐極體麥克風都采用結型場效應晶體管(JFET)進行內部緩沖，JFET采用2.2kΩ上拉電阻進行偏置。聲波移動麥克風元件，導致電流流入麥克風內部的JFET漏極。JFET漏極電流在R2上產生電壓降，該電壓降交流耦合，偏置到中間電源并連接到運算放大器的IN+引腳。運算放大器配置為帶通濾波的同相放大器電路。利用預期的輸入信號電平和所需的輸出幅度和響應，您可以計算電路的增益和頻率響應。

　　讓我們來看一個電路的示例設計，用于+ 3.3V電源，輸入為7.93mVRMS，輸出信號為1VRMS。7.93mVRMS對應于具有麥克風的0.63Pa聲級輸入和-38dB聲壓級(SPL)靈敏度規格。帶寬目標是將300Hz的常見語音頻率帶寬傳遞到3kHz。

　　公式1顯示了定義VOUT和AC輸入信號之間關系的傳遞函數：

　　公式2根據預期的輸入信號電平和所需的輸出電平計算所需的增益：

　　選擇標準的10kΩ反饋電阻，并使用公式3計算R6：

　　要將所需通帶中的衰減從300Hz降至3kHz，請將上(fH)和下(fL)截止頻率設置在所需帶寬之外(公式4)：

　　選擇C7設置fL截止頻率(公式5)：

　　選擇C6以設置fH截止頻率(公式6)：

　　要將輸入信號截止頻率設置得足夠低以使低頻聲波仍能通過，請選擇C2以實現30Hz截止頻率(fIN)(公式7)：

　　圖2顯示了麥克風前置放大器電路的測量傳遞函數。由于高通濾波器和低通濾波器之間的窄帶寬和衰減，平帶增益僅達到41.8dB或122.5V / V，略低于目標。

　　圖 2：麥克風前置放大器的傳輸功能

　　采用TI的X2SON封裝技術將電路安裝到6mm直徑駐極體麥克風的背面。由于安裝尺寸限制，需要采用非常小的運算放大器：TLV9061的占位面積僅0.8mm×0.8mm。此外，0201小尺寸電阻和電容最大限度地減小印刷電路板(PCB)面積，您也可以采用更小的電阻來進一步減小該面積。印刷電路板布局如圖3和圖4所示。

　　圖 3：安裝6mm直徑駐極體麥克風背面的麥克風前置放大器布局

　　圖 4：PCB設計的三維視圖，顯示了麥克風和PCB的不同角度

　　您可以調整上述設計步驟，以滿足不同的麥克風靈敏度要求。在使用TLV9061等小型放大器進行設計時，請注意參考“采用TI X2SON封裝進行設計和制造中的布局最佳實踐”