Предварительное усиление аналогового сигнала MEMS-микрофона

4 мая

системы безопасностилабораторные приборыинтернет вещейуниверсальное применениеST Microelectronicsстатьяпассивные ЭК и электромеханикасредства разработки и материалыАудиоInternet-of-ThingsМЭМСSound

Уровень сигнала на аналоговом выходе MEMS-микрофонов STMicroelectronics довольно низок и требует усиления для последующей обработки. Предлагаются практические схемы предварительного усиления, в том числе – инвертирующая и дифференциальная, с использованием наиболее подходящих для этой цели операционных усилителей ST.

MEMS-микрофоны – приборы для записи звука инновационным способом. Компания STMicroelectronics предлагает широкий выбор MEMS-микрофонов, в том числе изделия из семейства MPxAxx, например MP23ABS1. Такие устройства имеют аналоговый выход, уровень сигнала на котором, как правило, довольно низкий и требует усиления для последующей передачи (от уровня микрофона до уровня на линейном выходе). В статье описано, как реализовать предварительное усиление сигнала. 

Настройка амплитуды и усиления сигнала

Аналоговый сигнал на выходе микрофона представляет собой аудиосигнал с определенным уровнем шума. Амплитуда выходного аудиосигнала зависит от акустического давления. Соотношение между чувствительностью So и усилением Gmicro на частоте 1 кГц приведено в технической документации на MP23ABS1 и рассчитывается по формуле 1:

$$G_{micro}=10^{\frac{S_{o}}{20}},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где So измеряется в дБВ/Па, а Gmicro в В/Па.

Для понимания масштаба величин: 20 мкПа – это минимальный слышимый уровень, обычный разговор создает акустическое давление в 20 мПа. Акустическое давление также может быть выражено в дБ уровня звукового давления (SPL): дБ соответствует 20 log (P/20 мкПа). Таким образом, 1 Па эквивалентен 94 дБ.

Акустические и электрические соотношения MP23ABS1 показаны на рисунке 1.

Рис. 1. Акустические и электрические соотношения MP23ABS1

Рис. 1. Акустические и электрические соотношения MP23ABS1

Необходимо помнить, что акустическое давление падает с увеличением расстояния от источника. В свободном поле, если удвоить расстояние от источника, акустическое давление делится на:

  • 2, если источник точечный, например, динамик (то есть -6 дБ);
  • √2, если источник линейный, например, дорога (то есть -3 дБ).

Зная акустическое давление, приложенное к микрофону, и желаемую амплитуду конечного сигнала, можно оценить требуемый коэффициент усиления. Максимальный коэффициент усиления (Gmax) вычисляется по формуле 2 с учетом максимальной чувствительности микрофона (Somax), максимальной амплитуды выходного сигнала, необходимой после усиления (Voutrms_max) и максимального акустического давления (Pmax): 

$$G_{max}=\frac{Vout_{rms\_max}}{10^{\frac{S_{omax}}{20}}\times P_{max}}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

При Voutrms_max = 1 Вrms, Somax = -37 дБВ/Па и Pmax = 1 Па значение Gmax составляет 71.

Шум

Общий шум содержит шум от микрофона и шум, создаваемый усилительным каскадом. Уровень шума (erms) на выходе микрофона вычисляется по формуле 3 с учетом отношения «сигнал/шум» (SNR), как указано в технической документации на MP23ABS1: 

$$e_{rms}=10^{\frac{S_{o}-SNR}{20}},\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

где erms выражается в Вrms, а SNR – в дБА.

На рисунке 1 erms показан как минимальный уровень шума. SNR является А-взвешенной величиной, то есть определяется по шкале А, чтобы расценивать шум так же, как воспринимает его человеческое ухо. SNR равен разнице между сигналом в 94 дБ, амплитуда которого So (дБВ/Па) × 1 (Па) = So (дБВ), и уровнем шума в дБВ.

Типичный уровень шума в MP23ABS1 составляет 4 мкВrms. Это эквивалентно источнику белого шума (eo) в полосе пропускания 20 кГц, рассчитанного по формуле 4: 

$$e_{o}=\frac{e_{rms}}{\sqrt{20000}},\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

где eo выражается в нВ/√Гц. Для MP23ABS1 eo составляет 28 нВ/√Гц.
Независимые источники шума (измеренные в Вrms) можно объединить, взяв квадратный корень из суммы их квадратов.

Если коэффициент усиления выхода микрофона положительный (как показано на рисунке 2), и уровень шума операционного усилителя составляет только половину шума от микрофона (erms), итоговый общий шум составляет всего 1,5 × erms. Рассмотрим ту же ширину полосы в 20 кГц. При этом использование операционного усилителя с эквивалентной плотностью белого шума 28 нВ/√Гц увеличивает шум на выходе MP23ABS1 на 12%. Чтобы не привести к существенному снижению отношения «сигнал/шум», рекомендуется использовать операционный усилитель с белым шумом менее 20 нВ/√Гц, в идеале – менее 10 нВ/√Гц.

Общий уровень шума на выходе сильно зависит от параметров усилительного каскада (частоты среза и порядка фильтра). Кроме того, при разработке схемы нужно помнить, что резисторы являются источником шума: резистор R [кОм] генерирует белый шум 4√(R) [нВ/√Гц]. Поэтому важно, чтобы сопротивления были относительно низкими.

Искажение сигнала

Искажение сигнала на выходе микрофона зависит от акустического давления, что указывается в технической документации. Для MP23ABS1 искажение сигнала составляет менее 0,2% при 94 дБ (что эквивалентно 1 Па).

При высоком акустическом давлении искажения возрастают. На рисунке 1 показан уровень, при котором искажения достигают 10%. Микрофон можно использовать в диапазоне от минимального уровня шума до уровня, при котором искажения достигают заданной величины – это и будет его динамический диапазон.

Искажение сигнала следует сопоставлять с коэффициентом гармонических искажений (КГИ, или THD), который вносит операционный усилитель. Обычно этот параметр операционных усилителей не ограничивается. Нужно помнить, что при больших выходных сигналах на малых нагрузках КГИ увеличивается с увеличением частоты.

Чистый синусоидальный сигнал на выходе операционного усилителя можно рассчитать по формуле 5:

$$V=V_{p}sin(2\pi ft)\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Максимальный наклон такого сигнала составляет 2πfVp. Следовательно, операционный усилитель должен иметь скорость нарастания более 2πfVp. Для волны с частотой 20 кГц и амплитудой 3 Vpp минимальная скорость нарастания сигнала операционного усилителя должна составлять 0,19 В/мкс. Чтобы обеспечить наименьшее искажение сигнала, нужно иметь как минимум двойной запас по этой скорости.

Выбор операционного усилителя

Напряжение питания микрофона MP23ABS1 составляет от 1,52 В до 3,6 В. При разработке системы с одним источником питания следует использовать низковольтный операционный усилитель с выходом rail-to-rail (особенно при таких малых значениях напряжения, где потеря 1 В уже критична).

Рекомендуемые операционные усилители с учетом уровня шума, скорости нарастания и КГИ приведены в таблице 1.

Таблица 1. Рекомендуемые операционные усилители

Наименование Vcc, В Шум, нВ/√Гц Скорость нарастания, В/мкс Выход
rail-to-rail
Минимальная нагрузка, Ом
TS971 2,7…10 4 4 Да 2000
TS982 2,5…5,5 17 0,7 16
TS922 2,7…12 9 1,3 32
MC33078 5…30 4,5 7 Нет 600

Все указанные операционные усилители доступны в исполнении для автомобильной промышленности.

Наилучший выбор – TS971. Для малых нагрузок следует использовать TS922 или TS982. Если для питания усилителя предусмотрен специальный источник высокого напряжения (с одним или двумя выходами) – следует использовать MC33078.

Разработка схемы

Типичная схема предварительного усиления показана на рисунке 2.

Рис. 2. Схема усиления сигнала MEMS-микрофона

Рис. 2. Схема усиления сигнала MEMS-микрофона

R4 и R5 служат для создания опорного напряжения, чтобы сместить входное синфазное напряжение операционного усилителя до Vcc/2. C5 позволяет снизить шум от источника питания (и эквивалентных резисторов R4 и R5), который обычно усиливается операционным усилителем. R6 и C6 образуют фильтр нижних частот, который также уменьшает шум. R1 и C1 обеспечивают передачу микрофонного сигнала по переменному току. Операционный усилитель смещен по постоянному току за счет Vcc/2, а по переменному току, то есть на частоте выше ~ 1/2πR1C1 (16 Гц), на его вход поступает сигнал микрофона.

Если операционный усилитель питается от двух источников питания, для входного синфазного напряжения используется заземление (R1 напрямую подключается к земле).

R2 и C2 усиливают верхние частоты, чтобы избежать увеличения смещения постоянного напряжения операционного усилителя (включая входное напряжение смещения). Частота среза fhp = 1/2πR2C2, что составляет 59 Гц.

R3 и C3 усиливают нижние частоты, чтобы избежать увеличения шума вне полосы пропускания звука. Частота среза flp = 1/2πR3C3, что составляет 10,5 кГц.

Коэффициент усиления усилительного каскада между fhp и flp рассчитывается по формуле 6:

$$G=1+\frac{R_{3}}{R_{2}}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

На рисунке 3 показана передаточная функция предлагаемой схемы. Для высоких частот коэффициент усиления равен 1. Для устранения входного шума за пределами звуковой частоты на узле OUT можно использовать дополнительный RC-фильтр нижних частот.

Рис. 3. Зависимость усиления напряжения от частоты

Рис. 3. Зависимость усиления напряжения от частоты

Примечание. Развязывающие конденсаторы C8 и C9 должны быть расположены как можно ближе к операционному усилителю и микрофону. 

Инвертирующая схема

Возможны и другие схемы. На рисунке 4 показана инвертирующая схема, в которой усиление составляет -R2/R1 (без какой-либо фильтрации и смещения входа на Vcc/2).

Рис. 4. Инвертирующая схема

Рис. 4. Инвертирующая схема

Чтобы спроектировать схему с дифференциальным выходом, достаточно дублировать усилительный каскад (с R2=R1) на выход первого каскада. Тогда оба выхода будут иметь одинаковую амплитуду, но обратную фазу.

Схема с дифференциальным выходом

В случае, когда необходим дифференциальный выходной сигнал, рекомендуется использовать ОУ TS472, как показано на рисунке 5.

Рис. 5. Схема с дифференциальным выходом

Рис. 5. Схема с дифференциальным выходом

TS472 имеет режим ожидания и встроенный генератор напряжения смещения 2 В, что может быть эффективно использовано для смещения сигнала микрофона.

TS472 доступен в корпусе flip-chip и требует меньшего количества пассивных компонентов обвязки, чем стандартный усилитель, поэтому уменьшается площадь размещения на плате.

Дифференциальный вход TS472 более устойчив к шумам земли, что важно, когда микрофон находится далеко от операционного усилителя.

Коэффициент усиления определяется значением Rgs или устанавливается на величину 20 дБ, если вывод выбора коэффициента усиления подключен к выводу смещения (или постоянному напряжению выше 1 В).

Примечание. Развязывающие конденсаторы C2 и C4 должны быть расположены как можно ближе к операционному усилителю и микрофону.

Заключение

Мы рассмотрели ключевые параметры, связанные с предварительным усилением выходного сигнала аналогового MEMS-микрофона (MP23ABS1). Разработчикам предлагается решение на основе операционного усилителя TS971. Для дифференциального выхода предлагается использование TS472.

Приведенная информация будет полезна при разработке собственных схем. В линейке продукции компании STMicroelectronics можно найти подходящие MEMS-микрофоны и операционные усилители.

Оригинал статьи

Перевела Софья Букреева по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
MP23ABS1TR (ST)
STEVAL-MKSBOX1V1 (ST)
MP34DT01TR-M (ST)
MP34DT05TR-A (ST)