[参考译文] MEMS 麦克风放大器设计

您好 Hari、

需要使用电容器将来自左侧和右侧的不同直流电压相互耦合。 同时、与 Rs + Zout 相关的电容形成一个转角频率(-3dB)为1/2/PI/(R x C)的高通滤波器。 您希望频率响应是多少？

该电容器必须能够承受 OPAMP 和麦克风的电源电压、并且应有一定的余量。 您使用什么电源电压？

OPAMP 应为低噪声版本。

Kai

您好 Hari、

Kai 为确定输入直流阻断电容器值提供了很好的指导。 由于麦克风元件是低电压元件、因此您将 使用低电压运算放大器(<或= 5V)、并且电容器额定电压不需要很高。 常见的低直流工作电压电容器额定值为10V、对于此应用而言、该值应足够。 如果您决定使用高电压运算放大器、则可以增大电容器电压、但代价是减小了尺寸。

我建议您查看 OPA1671。 它是一款低噪声、低电压音频运算放大器。 其规格应与此麦克风放大器应用很好地匹配。 您可以在此处找到数据表：

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa1671.pdf

如果您有任何疑问、请告知我们。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

您好 Kai、

请找到我的系统的膨胀图。

我对此有一些疑问。 请参阅下面的内容。

请参阅下面的系统详细信息

麦克风和比较器的工作电压均为1.8V。

此电路的目的是当麦克风检测到任何语音活动时、比较器将触发并唤醒 DSP

根据我在空闲状态下的理解、麦克风的 O/P 为1.1V、当任何语音活动出现时、它将高于1.1V、当没有语音活动时、它将恢复到1.1V。 (如果我错了、请更正我)。

1) 1)     我想知道、当它检测到任何语音活动时、我们可以如何计算超过1.1V 的电压

2) 2)     将麦克风 O/P 直接连接到比较器时是否存在任何问题、而不移除直流1.1V。 我认为、如果我将比较器阈值设置为高于1.1V、这不是问题(请告诉我您的意见)

此致

哈里

尊敬的 Kai：

这是声学活动检测。 高于60dBSPL 的声音应触发比较器。

我已将麦克风灵敏度转换为电压值。 请找到我随附的计算表。

最小值为1.100251487V、获得的最大值为1.100501782V。 这些值是通过将1.1V DC 麦克风增加到转换为电压的灵敏度来获得的(请参阅 Excel 文件)

上述值是在60dBSPL 时获得的。 对于任何大于60dBSPL 的声学活动、我的比较器应触发。

这些值使得比较器基准电压选择变得困难。 我的想法是阻止直流(1.1V)并放大在声学检测时获得的剩余电压。

在 Excel 工作表中、为了获得最大灵敏度、其值为0.501781907mv。 我计划放大该电压并将其提供给比较器的一个输入。 请问您对此有什么想法吗？

我计划提供3000的增益、以便为实现最大灵敏度、放大器的 O/P 电压将为1.5V、为实现最小灵敏度、我的放大器 O/P 将为.75V。 这将简化我的比较器基准电压选择。

我想知道、使用单级运算放大器是否可以获得3000的增益、或者我是否需要级联级联。

此致

哈里

e2e.ti.com/.../Calculations.xlsx

尊敬的 Thomas：

非常感谢。

我的麦克风具有1.1V 直流输出。在60dBSPL 时、峰值为0.501781907mv。请参阅计算结果 Excel

一旦 DC (1.1V)被阻断、我将只有0.501781907mv。(请告诉我、我的理解是否正确)

OPA1671的失调电压为1.6mv、大于我的 I/P 电压。

请问我是否可以使用该运算放大器来放大我的信号。

此致

哈里

您好 Hari、

进行了比较

94dB (SPL)约为1pA。 您的微分的灵敏度为-38dBV/Pa、这意味着12.6mV/Pa. 60dB (SPL)意味着您的信号减小34dB、或者换句话说、12.6mV 的1/50、即0.25mV。 所有这些电压均为 RMS 值。 因此、您的信号振幅为0.25mV x SQRT (2)= 0.35mV。

如以下仿真所示、为您开发的电路 Thomas 将正常工作：

即使增加了失调电压、电路也会工作、因为失调电压不会被高增益放大。 在记住、对于直流、C3的阻抗变为无穷大时、您可以很容易地理解这一点。 直流增益将是

DCgain =(3M +(1k +无限))/(1k +无限)=(3M +无限)/无限=无限/无限=无限

e2e.ti.com/.../hari_5F00_opa1671.TSC

Kai

尊敬的 Kai：

非常感谢  

我是否知道 V1、R1、R2、C2的作用...

我们是否可以实现同相配置

此致

哈里

您好 Hari、

V1仅模拟 OPA1671失调电压的影响。 当然，无需将其安装在现成的电路中:-)

R1和 R2在1/2 Vs 生成偏置电压、从而使 OPA1671的输出电压正向和负向摆动。 C2可滤除电源电压噪声和纹波、并为 OPA1671在较高频率下的+输入提供一条低阻抗路径以连接信号接地。 这样可以稳定 OPAMP 并降低 OPAMP 和分压器的噪声影响。

C3提供了讨论过的交流耦合、并与麦克风和 RI 的输出阻抗形成一个高通滤波器。 为了实现低噪声、RI 应保持较小的值。 微控制器的驱动能力设置下限。 请记住、RI 的右侧位于"虚拟接地"或更好地说"虚拟中间电源"。 Thomas 在这里找到了一个非常好的折衷方案、Ri=1k。

射频设置此电路的增益、C1最终对电源电压进行去耦。

是的、非反相方案是可行的、但需要另外两个组件。 同相方案的唯一优势是您可以进一步降低运算放大器噪声和电阻器噪声。 但它对微控制器自身产生的噪声没有影响。

Kai

尊敬的 Kai：

非常感谢

是否可以在麦克风的 O/P 处连接 RMS 至直流转换器。

此致

哈里

您好 Hari、

我想、RMS 转直流转换器可能会对您的应用造成太高的成本。 或者、您是否需要知道麦克风信号的确切 RMS 值？

此处讨论了一种简单但有效的音频检测器：

Kai

尊敬的 Kai：

我进行了非反相配置、它工作正常。

请查找随附的。

e2e.ti.com/.../NOn_5F00_INV.TSC

在设计同相放大器时、我是否需要考虑 MIC O/P 阻抗？

我们计划将该放大器的 O/P 连接到比较器。

我是否需要在放大器的 O/P 之后(连接到比较器 I/P 之前)使用 LPF。 LPF 的功能是进行平均计算。

据我所知、在截止频率后、LPF 充当平均电路。(如果我错了、请纠正我的错误。

此致

哈里

尊敬的 Kai / Thomas：

非常感谢您的支持。

我使用两个第二级实现了非执行放大器、以增加带宽。

我的 FL 是52.54、FH 是205K。 如果我可以将 FL 降低到20Hz 附近、这是很好的、但我失败了。

请查看随附的原理图。 请告诉我它是否正常。

e2e.ti.com/.../G_2D00_50_5F00_60.TSC

此致

哈里

您好 Hari、

如果您只想检测人的声音、为什么要扩大带宽？

Thomas 为您开发的电路非常完美。 您为什么要更改它？

Kai

尊敬的 Kai：

我的系统应检测高于69dB SPL 的任何声学活动。

从我所了解的麦克风数据表中、它将在高达10kHz 的频率下正常工作(如果我错了、请纠正我的问题)

Thomas 设计的电路最高可达5Khz (我知道我是对的)。因此、我认为 MIC I/P 上的任何 I/P 都高于5Khz

无法由 Thomas 设计的电路进行处理。

这就是我要求增加带宽的原因。

我不知道我的思考过程是否正确。

请告诉我您的建议。

此致

哈里  

您好 Hari、

查看人类语音的典型频率范围：

因此、为了检测人的语音、无需将带宽扩展到5kHz 以上。

Kai

尊敬的 Kai：

非常感谢。

该放大器的输出将进入比较器、而比较器输出将连接到 DSP。

对此我有一些疑问。

1) 1)我是否需要在放大器输出后连接 LPF (无源)。我连接 LPF 的目的是进行平均计算。

此致

哈里

您好 Hari、

您是否见过以上链接？ 我再次发布它：

sound-au.com/project38.htm

Kai

尊敬的 Kai：

我将研究该报告并与您联系以获得进一步的澄清。

谢谢、此致

哈里

尊敬的 Kai / Thomas：

我启动了原型、运行良好。感谢您的支持。

您能不能推荐 一些 OPA1671的低成本替代器件。 我的系统成本较低。

 我的系统中的运算放大器电源将为1.8V。

此致

哈里

尊敬的 Thomas：

非常感谢。

我实现了您提供的电路的同相版本。 PCB 中的热阻

我们将射频值更改为1M。 不幸的是、它正在振荡。 所有节点电压均按预期提供

发送电路图、输出波形和测试板 PICS。

请告诉我哪里出错了

此致

哈里

e2e.ti.com/.../Non_5F00_Inv_5F00_1.8V_5F00_G_3D00_1000.TSC

您好 Hari、

我怀疑您在高增益 OPA1671 MEMS 放大 器输出端看到的正弦波不是振荡、而是电力线能量 耦合到电路中。 我看到 DSO 上指示的频率为55Hz、介于50Hz (欧盟/亚洲)和60Hz (美洲)线路频率之间。 我怀疑正弦波噪声很大、DSO 对实际频率有一点不确定。

当 高增益放大器处于开路状态时、建筑物中的各种电线、电线和交流电源都靠近电路、以电容或磁性方式将50/60Hz 信号耦合到裸露的电路板或为电路供电的直流电线。 在我们的实验室中测试此类电路时、我们 通常 将其放置在金属外壳内、并  使用外壳内的电池为其供电。 电路的输入和输出连接到同轴连接器、例如 BNC 连接器、因此可使用屏蔽同轴电缆连接 输入信号源和外部负载。

您可能会发现、如果您将暴露的放在实验室工作台上、然后将电路板从工作台上提起、正弦波的振幅会发生变化。 这是信号耦合量变化的指示器、 用于验证信号耦合是否源自房间的交流 电路。  

此致、Thomas

精密放大器应用工程