采用業(yè)界最小的運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)麥克風(fēng)電路

語(yǔ)音指令是許多應(yīng)用中的一種流行功能，也是讓產(chǎn)品具備差異化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)之一。麥克風(fēng)是任何基于語(yǔ)音或語(yǔ)音的系統(tǒng)不可缺少的主要組成部分，而駐極體麥克風(fēng)憑借體積小、低成本和高性能的特點(diǎn)成為了此類應(yīng)用的常見(jiàn)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(yōu)化的駐極體電容式麥克風(fēng)前置放大器的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用TLV9061，這是業(yè)界最小的運(yùn)算放大器（op amp），采用0.8mm×0.8mm超小外形無(wú)引線（X2SON）封裝技術(shù)。駐極體麥克風(fēng)放大器的電路配置如圖1所示。

圖 1：同相駐極體麥克風(fēng)放大器電路

大多數(shù)駐極體麥克風(fēng)都采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）進(jìn)行內(nèi)部緩沖，JFET采用2.2kΩ上拉電阻進(jìn)行偏置。聲波移動(dòng)麥克風(fēng)元件，導(dǎo)致電流流入麥克風(fēng)內(nèi)部的JFET漏極。JFET漏極電流在R2上產(chǎn)生電壓降，該電壓降交流耦合，偏置到中間電源并連接到運(yùn)算放大器的IN+引腳。運(yùn)算放大器配置為帶通濾波的同相放大器電路。利用預(yù)期的輸入信號(hào)電平和所需的輸出幅度和響應(yīng)，您可以計(jì)算電路的增益和頻率響應(yīng)。

讓我們來(lái)看一個(gè)電路的示例設(shè)計(jì)，用于+ 3.3V電源，輸入為7.93mVRMS，輸出信號(hào)為1VRMS。7.93mVRMS對(duì)應(yīng)于具有麥克風(fēng)的0.63Pa聲級(jí)輸入和-38dB聲壓級(jí)（SPL）靈敏度規(guī)格。帶寬目標(biāo)是將300Hz的常見(jiàn)語(yǔ)音頻率帶寬傳遞到3kHz。

公式1顯示了定義VOUT和AC輸入信號(hào)之間關(guān)系的傳遞函數(shù)：

公式2根據(jù)預(yù)期的輸入信號(hào)電平和所需的輸出電平計(jì)算所需的增益：

選擇標(biāo)準(zhǔn)的10kΩ反饋電阻，并使用公式3計(jì)算R6：

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

選擇C7設(shè)置fL截止頻率（公式5）：

選擇C6以設(shè)置fH截止頻率（公式6）：

要將輸入信號(hào)截止頻率設(shè)置得足夠低以使低頻聲波仍能通過(guò)，請(qǐng)選擇C2以實(shí)現(xiàn)30Hz截止頻率（fIN）（公式7）：

圖2顯示了麥克風(fēng)前置放大器電路的測(cè)量傳遞函數(shù)。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(dá)到41.8dB或122.5V / V，略低于目標(biāo)。

圖 2：麥克風(fēng)前置放大器的傳輸功能

采用TI的X2SON封裝技術(shù)將電路安裝到6mm直徑駐極體麥克風(fēng)的背面。由于安裝尺寸限制，需要采用非常小的運(yùn)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(lái)進(jìn)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(fēng)背面的麥克風(fēng)前置放大器布局

圖 4：PCB設(shè)計(jì)的三維視圖，顯示了麥克風(fēng)和PCB的不同角度

您可以調(diào)整上述設(shè)計(jì)步驟，以滿足不同的麥克風(fēng)靈敏度要求。在使用TLV9061等小型放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，請(qǐng)注意參考“采用TI X2SON封裝進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造中的布局最佳實(shí)踐”