具有压缩和噪声门的低噪声模拟MEMS麦克风和前置放大器电路功能与优势

   本电路用于实现模拟MEMS麦克风与麦克风前置放大器的接口，如图1所示。ADMP504由一个MEMS麦克风元件和一个输出放大器组成。ADI公司的MEMS麦克风具有高信噪比(SNR)和平坦的宽带频率响应，堪称高性能、低功耗应用的绝佳选择。
SSM2167是一款低压、低噪声单声道麦克风前置放大器，非常适合用于低功耗音频信号链。该前置放大器包括内置压缩和噪声门，对本功能而言优于在前置放大器电路内仅使用运算放大器。压缩麦克风信号的动态范围可降低峰值信号电平，并给低电平信号增加额外增益。噪声门限将信号电平衰减至特定阈值以下，以便仅放大所需信号，例如语音，并降低输出信号内的噪声。这些特性有助于提高麦克风所接收语音信号的清晰度。

电路描述

ADMP504模拟MEMS麦克风通过一个0.1 μF电容连接到SSM2167 INPUT引脚。此耦合电容是必需的，因为麦克风输出偏置到0.8 V，前置放大器输入偏置到0.4 V。前置放大器输入和麦克风与前置放大器输入之间的交流耦合电容形成一个高通滤波器。

 
图1. 模拟MEMS麦克风与前置放大器的连接

此滤波器的-3 dB转折频率为1/(2πRC)，其中C为电容大小，R为前置放大器的输入阻抗(100 kΩ)。对于0.1 μF耦合电容，高通滤波器的转折频率为16 Hz。增加电容大小会降低滤波器转折频率。
SSM2167 fs真均方根电平检测器的时间常数由连接到AVG CAP（引脚6）的电容大小控制。10 μF电容产生约100 ms的时间常数，这是适合语音信号的合理设置。该时间常数控制均方根检测器的均值和压缩器的释放时间。此处使用的较小电容将给出较短时间常数，更大的电容将产生更长的时间常数。时间常数单位为毫秒，计算公式为10 × CAVG，其中CAVG单位为μF。
麦克风和前置放大器均可采用2.5 V至3.3 V的单电源供电。
SSM2167前置放大器在工作时需要一些额外的外部无源元件：
V. DD与地之间的10 μF电容
VCA. IN与BUFOUT之间的10 μF电容
OUTPUT引脚上的交流耦合电容.
SHUTDOWN引脚上的500 kΩ上拉电阻.
R. GATE：设置噪声门的阈值
R. COMP：设置压缩比
ADMP504的灵敏度为-38 dBV，意味着-38 dBV时麦克风将输出94 dB SPL（1帕）的输入信号。该麦克风的最大输入电平为120 dB SPL，在此电平下麦克风输出为-12 dBV。动态范围为91 dB，因此麦克风噪底位于-103 dBV。

 
图2. 增益区域

增益从三个不同区域施加于SSM2167输入信号——向下扩展、压缩和限制，如图2所示。SSM2167对输入信号施加固定的18 dB增益，同时对向下扩展点与旋转点之间的信号施加额外可变增益。
向下扩展阈值是向下扩展与压缩区域间的边界。该点通过选择电阻RGATE（表1）来设置。输入信号的阈值可设置为 77 dB与92 dB SPL间的一点，或者在前置放大器的.55 dBV至.40 dBV输入范围内。

表1. 噪声门阈值设置
 

向下扩展与限制区域间是压缩区域。在该区域内，可缩小或压缩输入信号的动态范围，使输出信号电平更为平滑和恒定。SSM2167最高可实现10:1的压缩比。此向下压缩器可将信号电平增加至旋转点阈值下方。压缩水平由电阻RCOMP控制，如表2所列。

表2. 压缩比设置
 
压缩和限制区域间的边界固定于.24 dBV前置放大器输入信号电平，它对应于麦克风的108 dB SPL声学输入。该点上方，在18 dB的固定增益后，前置放大器输出将限于.6 dBV水平。

图3显示了在不同压缩比下电路输出电平与声学输入电平的关系。
 
图3. 电路输出与输入特性的关系
SSM2167输出偏置到1.4 V。与输出信号串联的10 μF交流耦合电容允许输出连接到接地负载。100 kΩ电阻以接地耦合电容的后端为基准，以避免在热插拔负载时产生爆音。将负载硬连线至前置放大器输出的设计则不需要该电阻。有关本电路的完整设计支持文档包，请访问以下地址：www.analog.com/CN0262-DesignSupport。

噪声性能

ADMP504和SSM2167都是低噪声音频器件。ADMP504 SNR为65 dB，提供-103 dBV噪底。SSM2167在10:1压缩（最差噪声设置）下的噪底为-70 dBV。因此，两个器件的噪底组合前，麦克风信号的噪声电平可增加20 dB以上，导致总体系统噪底劣化。例如，前置放大器压缩比设置为10:1时，麦克风接收的100 dB SPL大信号输出将给系统增加约24 dB的增益。这使麦克风信号的噪底变为-79 dBV (-103 + 24)。组合-79 dBV信号源与前置放大器的-70 dBV噪底，系统仅降低大约0.5 dB，因此以上条件下输出信号的噪底约为-69.5 dBV。
当麦克风输出信号电平低于向下扩展阈值时，18 dB固定增益将施加于信号，使信号噪底远低于SSM2167的噪底。

常见变化

也可以用SSM2166代替SSM2167来设置本电路。SSM2166可用外部元件调节，而这些设置在SSM2167上是固定的。另外SSM2166的噪底低于SSM2167，且提供更大的封装(14引脚SOIC_N)。
ADMP504也可用ADMP401、ADMP404或ADMP405来替代。后三个MEMS麦克风具有62 dB的SNR，而ADMP504的SNR为65 dB。ADMP401的灵敏度为.42 dBV，而ADMP504、ADMP404和ADMP405则为.38 dBV。ADMP405的低频截止频率为200 Hz，ADMP404则为100 Hz，除此之外二者完全相同。较高的截止频率使得ADMP405能够很好地降低低频风噪。ADMP404和ADMP504引脚兼容。

电路评估与测试

可以使用ADMP504 (EVAL-ADMP504Z-FLEX)和SSM2167 (SSM2167Z-EVAL)的评估板并按照下面所述轻松进行连接。
EVAL-ADMP504Z-FLEX有3条输出线：–VDD（红色）、地（黑色）和输出（白色）。VDD线路应连接到SSM2167板上的+3 V JP3测试点；该点同时为前置放大器板供电。地线可连接到JP3的GND。ADMP504板的输出线可以直接连接到单声道3.5 mm音频插头的JP2引脚或顶端，接地线连接到环孔。该插头连接到SSM2167的评估板输入插孔J1。
此点以后请遵循应用笔记AN-583中SSM2167Z-EVAL文件关于板设置和聆听测试的说明。SSM2167评估板(SSM2167Z-EVAL)文档提供系统设置说明，以及完整的电路板原理图。唯一需要的外部连接是+3 V电源，以及J1和J2上的音频输入和输出。