低電壓可變壓縮和噪聲門控麥克風(fēng)前置放大器SSM2167：設(shè)計與應(yīng)用解析

在電子設(shè)備的音頻處理領(lǐng)域，麥克風(fēng)信號的優(yōu)化處理至關(guān)重要。今天我們要深入探討的是一款名為SSM2167的低電壓可變壓縮和噪聲門控麥克風(fēng)前置放大器，它為個人電子設(shè)備和計算機音頻系統(tǒng)中的麥克風(fēng)輸入調(diào)節(jié)提供了完整且靈活的解決方案。

文件下載：SSM2167.pdf

一、產(chǎn)品特性與應(yīng)用場景

特性亮點

SSM2167采用10引腳封裝，集成了完整的麥克風(fēng)調(diào)節(jié)功能。它支持單3V電源供電，關(guān)機電流極低，小于2μA。具備可調(diào)節(jié)的噪聲門限和壓縮比，自動限幅功能可有效防止ADC過載。其噪聲和失真極低，總諧波失真加噪聲（THD + N）僅為0.2%，帶寬可達20kHz。

應(yīng)用場景廣泛

該放大器適用于多種設(shè)備和系統(tǒng)，包括臺式、便攜式或掌上電腦、電話會議系統(tǒng)、通信耳機、雙向通信設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)以及卡拉OK和DJ混音器等。

二、詳細技術(shù)規(guī)格

音頻信號路徑參數(shù)

在特定測試條件下（(V{S}=3.0V)，(f = 1kHz)，(R{L}=100kΩ) ，(R{COMP}=0Ω) ，(T{A}=25^{circ}C) ，(V{IN}=100mV rms) ，(R{GATE}=2kΩ) ），其電壓噪聲密度在10:1壓縮比時為20nV/√Hz，噪聲在20kHz帶寬且(V{IN}=GND)時為 - 70dBV，總諧波失真加噪聲在(V{IN}=100mV rms)時為0.2%。輸入阻抗為100kΩ，輸出阻抗為145Ω，負載驅(qū)動能力方面，最小電阻負載為5kΩ，最大電容負載為2nF。輸入電壓范圍在0.4% THD + N時為600mV rms，輸出電壓范圍在相同條件下為700mV rms，增益帶寬積在1:1壓縮且VCA G = 18dB時為1MHz。

控制部分參數(shù)

VCA動態(tài)增益范圍為40dB，固定增益為18dB，壓縮比最小為1:1，最大為10:1，旋轉(zhuǎn)點為63mV rms，噪聲門范圍為 - 40dBV。

電源參數(shù)

電源電壓范圍為2.5V至5.5V，電源電流典型值為2.3mA，直流輸出電壓為1.4V，電源抑制比為45dB。

三、工作原理剖析

典型傳輸特性

SSM2167的典型傳輸特性如圖2所示，輸出電平（dB）與輸入電平（dB）呈函數(shù)關(guān)系。在VDE（向下擴展）到(V{RP})（旋轉(zhuǎn)點）的輸入信號范圍內(nèi)，輸入電平變化“r”dB會導(dǎo)致輸出電平變化1dB，“r”即為壓縮比，可通過單個電阻(R{COMP})從1:1（無壓縮）調(diào)整到10:1。輸入信號高于(V_{RP})時，以約10:1的固定壓縮比進行壓縮，此區(qū)域為限幅區(qū)域，改變壓縮比對限幅區(qū)域無影響。

功能模塊分析

從功能框圖來看，音頻輸入信號先經(jīng)過輸入緩沖器，再進入VCA。輸入緩沖器為源提供約100kΩ的輸入阻抗，SSM2167的INPUT（引腳5）存在約400mV的直流電壓，因此接地源需使用隔直電容（C1），多數(shù)音頻應(yīng)用中0.1μF電容是不錯的選擇。輸入緩沖器是單位增益穩(wěn)定放大器，可驅(qū)動VCA的低阻抗輸入和內(nèi)部rms檢測器。VCA是低失真、可變增益放大器，其增益由側(cè)鏈控制電路設(shè)置。緩沖器輸出和VCA輸入之間必須使用外部隔直電容（C2），其值通常在4.7μF至10μF之間，鋁電解電容是經(jīng)濟之選。VCA放大流經(jīng)C2的輸入信號電流，并將其轉(zhuǎn)換為SSM2167輸出引腳（引腳9）的電壓。SSM2167的輸出阻抗通常小于145Ω，引腳9的外部負載應(yīng)大于5kΩ，設(shè)備的標稱輸出直流電壓約為1.4V，因此接地負載需使用隔直電容。其帶寬在所有增益設(shè)置下都很寬，在高達30dB的增益下，上3dB點超過1MHz。

電平檢測器

SSM2167集成了全波整流器和真rms電平檢測器電路，其平均時間常數(shù)由連接到AVG CAP（引腳6）的外部電容（(C{AVG})）設(shè)置。為使電平檢測器在低至10Hz的低頻下實現(xiàn)最佳運行，電容值應(yīng)為2.2μF?？赡苄枰獙Ω蟮?C{AVG})值進行一些實驗，以減少過多低頻環(huán)境背景噪聲的影響。平均電容值會影響音質(zhì)：該電容值過小可能會導(dǎo)致某些信號出現(xiàn)抽吸效應(yīng)，而值過大則會導(dǎo)致對信號動態(tài)的響應(yīng)時間變慢。推薦使用電解電容，其范圍應(yīng)為2μF至22μF。rms檢測器濾波時間常數(shù)約為(10×C{AVG})毫秒（(C{AVG})單位為μF），該時間常數(shù)控制rms檢測器中的穩(wěn)態(tài)平均以及壓縮的釋放時間，即由于輸入信號減小導(dǎo)致系統(tǒng)增益增加所需的時間。攻擊時間（由于輸入電平突然增加導(dǎo)致增益降低所需的時間）主要由內(nèi)部電路控制，在大多數(shù)情況下，可將過載時間限制在小于35ms。

控制電路

rms電平檢測器的輸出是與緩沖器輸出的真rms值的對數(shù)成比例的信號，并帶有一個附加的直流偏移。控制電路從該信號中減去一個直流電壓，對其進行縮放，并將結(jié)果發(fā)送到VCA以控制增益。VCA的增益控制是對數(shù)的，控制信號的線性變化會導(dǎo)致增益的dB變化，正是這種控制規(guī)律使得對對數(shù)rms信號進行線性處理，從而在輸入/輸出特性上提供平坦的壓縮特性。

四、參數(shù)設(shè)置方法

壓縮比設(shè)置

改變饋送到VCA的控制信號的縮放比例會導(dǎo)致電路壓縮比“r”發(fā)生變化。通過在引腳8和VDD之間連接一個電阻（(R{COMP})）來設(shè)置壓縮比，降低(R{COMP})的值會使壓縮比變小，具體對應(yīng)關(guān)系如表4所示。在2:1至10:1的壓縮比范圍內(nèi)可實現(xiàn)AGC性能，這取決于具體應(yīng)用。將(R_{COMP})短路會禁用AGC功能，使壓縮比等于1:1。建議使用大于5kΩ的壓縮電阻，若使用小于5kΩ的值，設(shè)備可能會將其視為短路（0Ω）。

噪聲門閾值設(shè)置

噪聲門閾值可通過連接在引腳7（GATE THRS）和(V{DD})之間的外部電阻(R{GATE})進行編程設(shè)置，向下擴展閾值可在 - 40dBV至 - 55dBV之間設(shè)置，與電阻值成反比。不建議使用大于5kΩ的(R_{GATE})電阻，因為SSM2167的本底噪聲會導(dǎo)致在不產(chǎn)生問題的情況下無法進一步降低噪聲門。

旋轉(zhuǎn)點設(shè)置

SSM2167的旋轉(zhuǎn)點內(nèi)部設(shè)置為 - 24dBV（63mV rms），輸入信號高于該點時會被內(nèi)部電路衰減（限幅），可防止后續(xù)級（如編解碼器或ADC）出現(xiàn)削波現(xiàn)象。

關(guān)機功能

將有源低電平（0V CMOS兼容輸入）施加到SSM2167的SHUTDOWN引腳（引腳3），可將其電源電流降低到10μA以下。在此狀態(tài)下，SSM2167的輸入和輸出電路呈高阻抗狀態(tài)，輸入引腳和輸出引腳的電位由連接到SSM2167的外部電路決定。SSM2167從關(guān)機到開機命令的穩(wěn)定時間約為200ms，從開機到關(guān)機則需要更多時間，通常小于1秒。對SSM2167的電源進行循環(huán)操作可實現(xiàn)更快的穩(wěn)定時間，關(guān)到開的穩(wěn)定時間小于200ms，開到關(guān)的穩(wěn)定時間小于1ms，其關(guān)機電流與溫度和電壓有關(guān)。

五、PCB布局注意事項

由于SSM2167能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶寬操作，并且可以配置高達60dB的增益，因此在包含該IC及其相關(guān)組件的PCB布局中必須格外小心。布局應(yīng)盡量減少SSM2167輸出端到輸入端的電容性反饋，避免輸入和輸出走線相鄰。建議采用單點（星形）接地方式，同時保持短引腳長度和PCB走線長度。在有模擬地和數(shù)字地的應(yīng)用中，SSM2167及其周圍電路應(yīng)連接到系統(tǒng)的模擬地。應(yīng)明確避免使用繞線板連接和接地方式。

六、總結(jié)與思考

SSM2167作為一款功能強大的麥克風(fēng)前置放大器，為各種音頻應(yīng)用提供了靈活且高效的解決方案。其豐富的可調(diào)節(jié)參數(shù)和優(yōu)秀的性能指標使其能夠適應(yīng)不同的使用場景。然而，在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求仔細調(diào)整參數(shù)，同時注意PCB布局等細節(jié)，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。大家在使用SSM2167的過程中是否遇到過一些獨特的問題或有一些特別的應(yīng)用技巧呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。