“如何用麥克風(fēng)捕捉遠(yuǎn)距離的聲音信號(hào)，同時(shí)保持設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔。”

原文轉(zhuǎn)載自：https://lcamtuf.substack.com/p/building-a-decent-microphone-amplifier

我們的目標(biāo)是建立高保真麥克風(fēng)電路，能夠忠實(shí)地拾取大自然的聲音、現(xiàn)場(chǎng)音樂表演或房間里的對(duì)話。這項(xiàng)任務(wù)比表面看起來更棘手，因?yàn)榫拖褚暳σ粯?，我們不知道自己聽力的?dòng)態(tài)范圍有多大。一個(gè)人站在八英尺外說話，麥克風(fēng)讀數(shù)很容易就會(huì)比他站在你身邊時(shí)弱 20-50 倍。在電子電路中，由此產(chǎn)生的微弱信號(hào)很容易被各種電子噪聲淹沒。

麥克風(fēng)陣列、拋物面反射器和復(fù)雜的數(shù)字處理等熟悉的技術(shù)可能有助于解決一些信號(hào)問題，但一個(gè)好的麥克風(fēng)和一個(gè)精心設(shè)計(jì)的放大器通常是最好的起點(diǎn)。

了解麥克風(fēng)的靈敏度

讓我們從一個(gè)看似簡(jiǎn)單的問題開始：如何測(cè)量聲音強(qiáng)度？通常的答案是 “分貝”，但分貝并不是單位；而是對(duì)數(shù)（以10為底）刻度上的間隔。通俗地說，分貝的變化告訴我們聲音功率的變化倍數(shù)，例如，±1分貝表示聲音功率變化了大約1.26倍。；它并沒有告訴我們所測(cè)量現(xiàn)象的性質(zhì)，也沒有解釋刻度的零點(diǎn)。

對(duì)于聲音來說，實(shí)際測(cè)量的是聲波沖擊耳朵的壓力；其單位是帕斯卡（一個(gè)很小的 SI 單位，相當(dāng)于 ~0.000145 psi）。此外，在該標(biāo)尺上，“零分貝” 并不對(duì)應(yīng)于完全靜音，而是對(duì)應(yīng)于施加 20 μPa 壓力的 1 kHz 聲波。之所以選擇這個(gè)值，是因?yàn)樗笾孪喈?dāng)于人類聽力的閾值。從這個(gè)原點(diǎn)出發(fā)，我們得出了兩種不同的分貝聲級(jí)：dB SPL，用于測(cè)量標(biāo)稱聲壓，不考慮頻率；dBA，用于測(cè)量頻率加權(quán)，以接近人類聽力--即在低于 200 Hz 和高于 10 kHz 時(shí)急劇減弱。

如果麥克風(fēng)的性能以聽覺閾值為標(biāo)準(zhǔn)，那很符合邏輯了。但實(shí)際上它是在另一個(gè)任意點(diǎn)上定義的，這個(gè)點(diǎn)的聲音強(qiáng)度大約是聽覺閾值的50,000倍，即94分貝， 或 1 kHz 時(shí)的 1 Pa。這大致相當(dāng)于操作一個(gè)汽油驅(qū)動(dòng)的割草機(jī)或站在繁忙的高速公路旁的聲音水平。一個(gè)理想中的麥克風(fēng)在這樣的條件下如果顯示出1伏特（RMS）的輸出波動(dòng)，那么它的靈敏度就是0 dBV（這是第三種不同的以分貝為單位的刻度）。實(shí)際上，便宜的駐極體電容麥克風(fēng)的靈敏度遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)數(shù)值；常見的靈敏度值是-45 dBV，這意味著割草機(jī)引起的電壓波動(dòng)大約是6毫伏。

除了搖滾音樂會(huì)和建筑工地，我們想要捕捉的大多數(shù)聲音都沒有那么響亮；普通室內(nèi)聲音約為 40-50 dBA，耳語聲音約為 30 dBA，自然環(huán)境聲音徘徊在 20 dBA 左右。換句話說，在許多應(yīng)用中，麥克風(fēng)的輸出只有微伏級(jí)別--如果我們一開始使用的是低質(zhì)量麥克風(fēng)，那么再怎么放大也無濟(jì)于事。為了說明這個(gè)問題，我拍攝了以下演示片段：

為了區(qū)分不同麥克風(fēng)的性能，我們可以參考一個(gè)稱為等效輸入噪聲（EIN）的參數(shù)：這是一個(gè)假設(shè)噪聲源的響度，如果將其放在無瑕疵麥克風(fēng)旁邊，會(huì)產(chǎn)生與實(shí)際設(shè)備中相同的嘶嘶聲。換句話說，EIN 代表麥克風(fēng)的噪聲底線，比它更小的聲音或多或少會(huì)被淹沒。

數(shù)據(jù)手冊(cè)中并不總是給出 EIN 值，但可以從更可靠的信噪比（SNR）數(shù)據(jù)中推導(dǎo)出來。信噪比是前面提到的 94 dBA（“割草機(jī)”）參考點(diǎn)與本底噪聲之間的空間。轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)單明了：EIN = 94 dBA - SNR。

回到示例中：在參考錄音之后，第一個(gè)使用的麥克風(fēng)是 CUI CMA-6542PF，一個(gè)信噪比為 60 dBA（EIN = 34 dBA）的麥克風(fēng)，大概 0.5 美元。如果您在互聯(lián)網(wǎng)上購買普通駐極體麥克風(fēng)，基本上就是這種。第二個(gè)麥克風(fēng)- PUI Audio AOM-5024L-HD-R，外觀相同，售價(jià) 為3.50 美元，信噪比為 80 dBA（EIN = 14 dBA）。

顯而易見，如果您正在設(shè)計(jì)耳機(jī)或?qū)χv機(jī)，第一個(gè)麥克風(fēng)是非常合理的選擇；但在遠(yuǎn)場(chǎng)（遠(yuǎn)距離）應(yīng)用中，高信噪比麥克風(fēng)會(huì)帶來巨大的不同，您應(yīng)該多花一兩美元，而不是試圖在后期解決問題。

選擇合適的運(yùn)算放大器

在高保真音頻應(yīng)用中，麥克風(fēng)的放大幾乎都是通過運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)的；這種器件具有線性、增益可調(diào)、頻率響應(yīng)可預(yù)測(cè)、器件數(shù)量少和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

與選擇麥克風(fēng)相比，運(yùn)算放大器的選擇并不那么重要。電路中的大部分噪聲將來自麥克風(fēng)；其余幾乎全部是用于設(shè)置增益的反饋電阻的熱噪聲，如果電路屏蔽不好，還會(huì)產(chǎn)生射頻干擾 (RFI)。至于放大器，只要不采用過時(shí)或明顯不合適的設(shè)計(jì)，高端型號(hào)和低端型號(hào)的運(yùn)算放大器在聽覺上應(yīng)該沒有差別。比如具有 3 nV/√Hz 噪聲和 0.00005% 總諧波失真的高端型號(hào)與只能勉強(qiáng)達(dá)到 10 nV/√Hz 和 0.001% THD+N 的低端型號(hào)之間差別不大（不用擔(dān)心行話，我只是想說明一點(diǎn)）。在評(píng)估從錄音室到消費(fèi)者手中的每一臺(tái)放大器的累積效果時(shí)，這些參數(shù)很重要。但刻意選擇一款糟糕的芯片是沒有意義的，也沒有必要為發(fā)燒級(jí) IC 支付過高的費(fèi)用。

在選擇運(yùn)算放大器時(shí)，重要的是其增益帶寬積（unity gain bandwidth），這是一個(gè)重要的限制因素。雖然人耳可聽到的頻率只延伸到大約20 kHz，但運(yùn)算放大器的帶寬必須與所需的放大比例成比例地降低。我們稍后將討論精確的計(jì)算公式。對(duì)于單級(jí)設(shè)計(jì)，一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是至少瞄準(zhǔn)10 MHz的帶寬。如果使用的是增益較低的多級(jí)放大，或者對(duì)較高的頻率不感興趣（例如，在處理家庭自動(dòng)化設(shè)備中的語音命令時(shí)），帶寬較低也沒關(guān)系。

其余考慮因素包括電源電壓、輸出電流容量、軌至軌輸出或壓擺率。這些都是相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。對(duì)于大多數(shù)耳機(jī)來說，大約50 mA的輸出應(yīng)該足夠了；大約1毫安的電流足以驅(qū)動(dòng)便攜式錄音機(jī)和桌面電腦的“線路輸入”信號(hào)。

在本文的大部分原理圖中，使用的是 OPA1656 - 德州儀器公司提供的一款相當(dāng)出色的放大器。盡管如此，之所以選擇該芯片，并不僅僅因?yàn)槠涑錾脑肼暬驇捯?guī)格，還因?yàn)槠浜侠淼某杀荆總€(gè)運(yùn)算放大器約 1.25 美元）。其他在相同價(jià)位上的合理選擇包括MAX4232、OPA2322和OPA2323。

電路結(jié)構(gòu)初稿

互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布的許多業(yè)余麥克風(fēng)放大器電路都過于復(fù)雜，這通常是因?yàn)樗鼈円蕾囉谶^時(shí)的器件和陳舊的設(shè)計(jì)范式。如果麥克風(fēng)可以靠近放大器，最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)就是單電源、單端跨阻抗放大器（TIA）--這種電路基本上是將流經(jīng)麥克風(fēng)的電流直接轉(zhuǎn)換為輸出電壓：

駐極體麥克風(fēng)可以被視為一個(gè)由聲音控制的電流調(diào)制設(shè)備。它由一個(gè)帶電的振膜和一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的柵極相連組成，因此其阻抗會(huì)隨著聲波的變化而變化。在這個(gè)電路中，流過麥克風(fēng)的電流可以通過 4.7 kΩ 電阻器產(chǎn)生；同時(shí)交流電流也可以很容易地流過 2.2 μF 電容。該電容可阻擋直流電，但對(duì)交流電的阻抗較低。

在穩(wěn)態(tài)下，運(yùn)算放大器會(huì)達(dá)到 Vout = Vin- = Vin+ = Vdd / 2 附近的平衡。場(chǎng)效應(yīng)晶體管電導(dǎo)率的瞬態(tài)變化會(huì)打破這種平衡，導(dǎo)致瞬間電流通過 2.2 μF 電容，并使運(yùn)算放大器反相腳的電壓失調(diào)。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出就會(huì)向相反的方向擺動(dòng)--為了恢復(fù)平衡，它需要擺動(dòng)得足夠大，使通過反饋電阻器 (Rf) 的電流與流過輸入電容器的電流相匹配。實(shí)際上，電路就像一個(gè)電流-電壓放大器，其增益等于 Rf 的值（歐姆）。

跨阻放大器帶寬

在前面關(guān)于信號(hào)放大的文章中，我們談到了電壓-電壓放大器。在電壓-電壓放大器中，通過將輸出信號(hào)的幅度降低并反饋到集成電路（IC）的負(fù)輸入端來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)信號(hào)放大。這會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)上的微小電壓變化（這些變化是反饋控制機(jī)制的一部分）被衰減。這些微小的電壓變化是放大器唯一放大的內(nèi)容，減少它們的幅度相當(dāng)于減少芯片的內(nèi)部增益，最終可能使增益低于1。

跨阻放大器在低頻率時(shí)理論上具有無限的增益。如果輸入端連接到一個(gè)純電流源，一旦通過反饋電阻Rf的電流足夠，就沒有什么能進(jìn)一步衰減反饋環(huán)中的控制微調(diào)。無論Rf是10 kΩ還是1 MΩ，電壓都能通過。

實(shí)際上，電阻自身有一定的電容（在飛法拉范圍內(nèi)），但更重要的是，輸入端幾乎總是存在較大的并聯(lián)（旁路）電容。即使只有10皮法（pF），這個(gè)寄生電容在足夠高的正弦波頻率下會(huì)變成低阻抗路徑。這時(shí)，它開始減少反饋環(huán)中的電壓，就像在電壓-電壓放大器中一樣，導(dǎo)致放大器最終失去內(nèi)部增益。

換句話說，TIA 的帶寬仍會(huì)根據(jù)配置的放大比率按比例減小，但最大截止頻率的計(jì)算公式有所不同。此外，跨阻放大器通常比電壓-電壓放大器有更強(qiáng)的速度優(yōu)勢(shì)。

其中是運(yùn)算放大器的增益帶寬積（從規(guī)格書中獲得），是輸入端的并聯(lián)（旁路）電容，包括運(yùn)算放大器的寄生電容。在駐極體麥克風(fēng)電路中，輸入電容通常非常小，因此一個(gè)增益帶寬積為10 MHz的運(yùn)算放大器即使在Rf值接近1 MΩ時(shí)也能提供超過100 kHz的可用帶寬。

改善設(shè)計(jì)

這種基本電路可以工作，但有一些局限性。最主要的問題是它傾向于放大電源紋波和存在于高阻抗Vin+腿上的射頻干擾（RFI）。在電池應(yīng)用中，為了節(jié)省電能，分壓器的電阻值越高，干擾就越明顯；100 kΩ 比 10 kΩ 的干擾要嚴(yán)重得多。這些問題可以通過在非反相腳上添加一個(gè)去耦電容器來緩解，以 “緩沖” 電壓，減少抖動(dòng)。

麥克風(fēng)引線和 PCB 線路也會(huì)產(chǎn)生無線電干擾，反饋電阻 (Rf) 也會(huì)產(chǎn)生一些寬帶熱噪聲。這些信號(hào)的大部分能量都在人耳可聽頻率之外，但由于電路中的各種特殊情況非線性，它們可能表現(xiàn)為嘶嘶聲或尖叫聲。最簡(jiǎn)單的解決方案是在反饋電阻器上并聯(lián)一個(gè)低通電容，選擇性地降低高頻增益。電容的阻尼作用還能降低因 Cin 而產(chǎn)生振鈴的可能性，盡管在這種特殊電路中，輸入電容的阻尼很小。

允許給定fpass頻率在沒有顯著衰減的情況下被放大的最大反饋電容值由以下公式給出：

在我們的電路中，2 至 20 pF 左右通常是一個(gè)很好的起點(diǎn)，具體取決于 Rf 的值。接近 100-300 pF 的電容會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)明顯的低通效應(yīng)，使音頻變悶。這就好比將音頻設(shè)備上的 “高音” 設(shè)置到盡可能低的值，或者用紙箱蒙住頭來聽。這對(duì)語音來說是個(gè)明智的選擇，因?yàn)檎Z音的頻率不會(huì)超過 4 kHz，但對(duì)莫扎特或巴赫來說就不一定了。

最后一項(xiàng)調(diào)整是在輸出腳上加入一個(gè)相對(duì)較小的電阻器；在大多數(shù)情況下，大約 47-100 Ω 的電阻就足夠了。電阻限制了運(yùn)算放大器的峰值電流，從而減少了電路連接電容或電感負(fù)載時(shí)反饋信號(hào)的失真：

還可以使用多階段低通濾波器進(jìn)一步改進(jìn)；例如MAX291，這種濾波器可以在不顯著影響低頻信號(hào)的情況下，進(jìn)一步減少麥克風(fēng)的噪聲（嘶嘶聲）。

一些麥克風(fēng)電路還包含一個(gè)可選的高通濾波器，其截止頻率大約在100-150赫茲。高通濾波器的作用是允許高頻信號(hào)通過，同時(shí)阻止低頻信號(hào)。這樣做雖然可能會(huì)降低聲音的保真度，但可以減少戶外環(huán)境中風(fēng)的低頻隆隆聲（rumbling wind noise）。

哎喲！我的耳朵

上圖中的電路 R1 約為 470 kΩ，并配有高 SNR 麥克風(fēng)，可為佩戴者提供超人的聽力：該設(shè)備可接收其他房間的談話聲和腳步聲，并能極大地放大自己的呼吸聲或肢體動(dòng)作聲；如果加上拋物面反射器，效果會(huì)更加顯著。反過來說，這種裝置太容易被正常聲音過度驅(qū)動(dòng)；僅僅敲擊工作臺(tái)就會(huì)發(fā)出震耳欲聾的噪聲。

解決這一問題的最簡(jiǎn)單方法是用電位器取代反饋電阻器；調(diào)節(jié)范圍約為 10 kΩ 至 500 kΩ，足以滿足大多數(shù)需求。這種手動(dòng)增益控制方法效果很好，是專業(yè)音響的首選，但如果音量隨時(shí)間不斷波動(dòng)，這種方法可能會(huì)很麻煩。同樣重要的是，如果用耳機(jī)監(jiān)聽現(xiàn)場(chǎng)音頻，這種方法無法防止意外的巨響。我不建議這樣做，但如果你想試試耳機(jī)，一定要非常小心，或者做好承受痛苦的準(zhǔn)備。

更復(fù)雜的解決方案是自動(dòng)增益控制 (AGC)：一種監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)幅度的方法，然后迅速調(diào)整電阻，將音頻保持在所需的范圍內(nèi)。監(jiān)測(cè)部分相當(dāng)簡(jiǎn)單，一種可能的方法是：

每當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到正峰值時(shí)，電容就會(huì)通過輸入電阻和肖特基二極管充電，從而導(dǎo)致輸出電壓上升；如果沒有高于電容當(dāng)前電壓的峰值，電荷就會(huì)通過右側(cè)相對(duì)較大的電阻緩慢耗散。可以選擇電阻和電容來平衡電路的響應(yīng)時(shí)間。

AGC 電路的第二部分--壓控電阻器--這部分比較難以構(gòu)建。一些早期的解決方案依賴于放置在光敏電阻旁邊的燈泡或發(fā)光二極管。另一種直接的方法是使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管，但通常需要另一個(gè)運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)反饋，并保持一定的線性度。

如今，模擬技術(shù)在很大程度上已不再受青睞：更常見的做法是采用配備 ADC 的微控制器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行持續(xù)采樣，根據(jù)軟件定義的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)過載情況，然后與 MCP4131 等器件進(jìn)行通信。MCP4131 是一款價(jià)值 0.90 美元的 SPI 控制數(shù)字電位器，可提供 128 種電阻設(shè)置。這種設(shè)計(jì)還允許在自動(dòng)和手動(dòng)增益之間無縫切換，或定制對(duì)不同類型噪聲的響應(yīng)。

基于數(shù)字電位器的 AGC 結(jié)構(gòu)略微簡(jiǎn)化如下：

為了便于閱讀，我省略了三個(gè)芯片的電源電壓和去耦電容，以及 OPA2322 的“+”引腳的分壓器。

在新設(shè)計(jì)中，運(yùn)算放大器集成電路的前半部分為駐極體麥克風(fēng)提供固定的（相對(duì)適中的）電流電壓放大比，而后半部分則實(shí)現(xiàn)了由 MCU 控制的可變?cè)鲆骐妷悍糯笃鳌Ｓ捎诿考?jí)涉及的反饋電阻較小，因此低通電容器按比例增大。

下圖所示為該電路的組裝版，采用了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的 AVR64DD32 微控制器：

該項(xiàng)目的源代碼和用于制造的 PCB 文件可在此處找到：

https://lcamtuf.coredump.cx/soft/embedded/dogomatic.tgz

元件數(shù)量還可以進(jìn)一步減少。例如，有一種可編程增益運(yùn)算放大器（PGA），可在單個(gè)封裝中集成數(shù)字轉(zhuǎn)換器和放大器。最新的 AVR DB 系列微控制器就直接在微控制器芯片上封裝了一對(duì) PGA，不過它們的規(guī)格似乎還不足以滿足高保真要求。

等等......你為什么要改用 OPA2322？

說得好！在本文的前幾個(gè)原理圖中，我使用的是 OPA1656 - 一種專為高保真音頻設(shè)計(jì)的出色、低成本放大器。在最后的 AGC 電路中，我用它的近親（引腳兼容）OPA2322（現(xiàn)已被 OPA2323 取代）取而代之。原因何在？

這要?dú)w結(jié)于 OPA1656 的一個(gè)不起眼的設(shè)計(jì)特性。與其他一些低噪聲運(yùn)算放大器類似，該集成電路的輸入引腳上也有一對(duì)保護(hù)二極管，如德州儀器公司提供的圖紙所示：

在正常情況下，運(yùn)算放大器電路中負(fù)反饋回路的使用可確保兩個(gè)輸入電壓緊密跟蹤。但在某些情況下，比如啟動(dòng)時(shí)或者猛烈撞擊麥克風(fēng)時(shí)，兩個(gè)輸入電壓的差值可能會(huì)短暫地跳升到大約600毫伏以上，這足以使保護(hù)二極管導(dǎo)通。

在文章前面介紹的單放大器設(shè)計(jì)中，這種瞬時(shí)低電流短路不會(huì)造成任何問題。但在建議的兩級(jí) AGC 電路中，可能會(huì)出現(xiàn)更嚴(yán)重的問題。在第 2 級(jí)放大器輸入端之間流過的短暫電流會(huì)將共享的相對(duì)高阻抗 Vdd / 2 線路拉高或拉低，從而反向反饋到第 1 級(jí)。出現(xiàn)這種情況時(shí)，第 1 級(jí)的輸出會(huì)突然向同一方向偏移，從而擴(kuò)大第 2 級(jí)輸入端的電壓差，形成正反饋回路。

解決這個(gè)問題的方法有很多，不一定需要放棄使用OPA1656。最簡(jiǎn)單的解決方案是為每個(gè)放大器設(shè)置獨(dú)立的Vdd / 2電壓分壓器。但作者在設(shè)計(jì)PCB之后才發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題，因此選擇一個(gè)現(xiàn)成的、沒有這個(gè)問題的集成電路也是一個(gè)合理的選擇。

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