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    如何采用業(yè)界最小的運(yùn)算放大器來設(shè)計(jì)麥克風(fēng)電路?

    發(fā)布時(shí)間:2019-01-09 責(zé)任編輯:lina

    【導(dǎo)讀】語音指令是許多應(yīng)用中的一種流行功能,也是讓產(chǎn)品具備差異化市場競爭力的優(yōu)勢之一。麥克風(fēng)是任何基于語音或語音的系統(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)用的常見選擇。
      
    語音指令是許多應(yīng)用中的一種流行功能,也是讓產(chǎn)品具備差異化市場競爭力的優(yōu)勢之一。麥克風(fēng)是任何基于語音或語音的系統(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。

    如何采用業(yè)界最小的運(yùn)算放大器來設(shè)計(jì)麥克風(fēng)電路?
    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,輸出信號為1VRMS。7.93mVRMS對應(yīng)于具有麥克風(fēng)的0.63Pa聲級輸入和-38dB聲壓級(SPL)靈敏度規(guī)格。帶寬目標(biāo)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(guān)系的傳遞函數(shù):

    如何采用業(yè)界最小的運(yùn)算放大器來設(shè)計(jì)麥克風(fēng)電路?

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

    如何采用業(yè)界最小的運(yùn)算放大器來設(shè)計(jì)麥克風(fēng)電路?

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

    如何采用業(yè)界最小的運(yùn)算放大器來設(shè)計(jì)麥克風(fēng)電路?

    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(shè)置在所需帶寬之外(公式4):

    如何采用業(yè)界最小的運(yùn)算放大器來設(shè)計(jì)麥克風(fēng)電路?

    選擇C7設(shè)置fL截止頻率(公式5):

    如何采用業(yè)界最小的運(yùn)算放大器來設(shè)計(jì)麥克風(fēng)電路?

    選擇C6以設(shè)置fH截止頻率(公式6):

    如何采用業(yè)界最小的運(yùn)算放大器來設(shè)計(jì)麥克風(fēng)電路?

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

    如何采用業(yè)界最小的運(yùn)算放大器來設(shè)計(jì)麥克風(fēng)電路?

    圖2顯示了麥克風(fēng)前置放大器電路的測量傳遞函數(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)。

    如何采用業(yè)界最小的運(yùn)算放大器來設(shè)計(jì)麥克風(fēng)電路?
    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進(jìn)一步減小該面積。印刷電路板布局如圖3和圖4所示。

    如何采用業(yè)界最小的運(yùn)算放大器來設(shè)計(jì)麥克風(fēng)電路?
    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

    如何采用業(yè)界最小的運(yùn)算放大器來設(shè)計(jì)麥克風(fēng)電路?
    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”
     
     
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