探索LMV1091：高性能麥克風陣列放大器的卓越之選

在當今的語音通信應(yīng)用中，背景噪音的干擾常常影響語音的清晰度和可懂度。德州儀器（TI）推出的LMV1091麥克風陣列放大器，為解決這一問題提供了出色的解決方案。本文將深入探討LMV1091的特點、規(guī)格、應(yīng)用以及設(shè)計要點，幫助電子工程師更好地了解和應(yīng)用這款產(chǎn)品。

文件下載：lmv1091.pdf

一、LMV1091概述

LMV1091是一款全模擬雙差分輸入、差分輸出的麥克風陣列放大器，旨在減少背景聲學噪聲，同時在語音通信應(yīng)用中提供出色的語音清晰度。它屬于Powerwise?節(jié)能解決方案系列，僅消耗600μA的電源電流，相比功耗高出十倍以上的DSP解決方案，具有卓越的性能。

1.1 產(chǎn)品特性

• 無語音清晰度損失：有效降低背景噪聲的同時，保留語音的清晰度和可懂度。
• 低功耗：典型電源電流僅為600μA，待機電流低至0.1μA，適合電池供電的移動設(shè)備。
• 關(guān)斷功能：通過SD引腳可實現(xiàn)芯片的關(guān)斷，進一步降低功耗。
• 無額外處理延遲：全模擬設(shè)計，無需額外的數(shù)字信號處理，避免了處理延遲。
• 差分輸出：提供出色的噪聲抑制能力，增強信號的抗干擾能力。
• 可調(diào)增益：增益范圍為12 - 54dB，可根據(jù)應(yīng)用需求進行靈活調(diào)整。
• 優(yōu)異的射頻抗擾度：有效抵抗射頻干擾，確保在復(fù)雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定工作。
• 封裝形式：采用25 - Bump DSBGA封裝，體積小巧，適合緊湊設(shè)計。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

• 移動耳機：提高移動設(shè)備通話時的語音質(zhì)量，減少背景噪聲干擾。
• 移動和手持對講機：在嘈雜環(huán)境中提供清晰的語音通信。
• 藍牙和其他有源耳機：增強耳機的降噪能力，提升用戶體驗。
• 手持語音麥克風：適用于各種語音采集設(shè)備，如會議麥克風、錄音筆等。

二、關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

2.1 噪聲抑制性能

• 遠場噪聲抑制電氣性能（FFNSE at (f = 1 kHz)）：典型值為34dB，有效降低遠場背景噪聲。
• 信噪比改善電氣性能（SNRI）：典型值為26dB，提升語音信號的質(zhì)量。

2.2 電源參數(shù)

• 電源電壓：2.7V - 5.5V，寬電壓范圍適應(yīng)不同電源系統(tǒng)。
• 電源電流：典型值為600μA，低功耗設(shè)計延長電池續(xù)航時間。
• 待機電流：典型值為0.1μA，在待機狀態(tài)下幾乎不消耗電量。

2.3 語音質(zhì)量參數(shù)

• 信噪比（語音頻段）：典型值為65dB，提供清晰的語音信號。
• 總諧波失真 + 噪聲（THD + N）：典型值為0.1%，確保語音信號的純凈度。
• 電源抑制比（PSRR at 217Hz）：典型值為99dB，有效抑制電源紋波干擾。

三、功能描述與原理

3.1 噪聲抑制原理

LMV1091通過雙差分輸入和差分輸出的設(shè)計，利用模擬信號處理技術(shù)實現(xiàn)背景噪聲的抑制。它能夠保留距離麥克風4cm以內(nèi)的近場語音信號，同時抑制距離麥克風50cm以外的遠場聲學噪聲。在正確配置并使用±0.5dB匹配的麥克風時，可實現(xiàn)高達20dB的遠場噪聲抑制。

3.2 信號處理流程

麥克風采集的信號首先經(jīng)過前置放大器進行放大，其增益范圍為6 - 36dB，可通過GA0 - GA3引腳進行調(diào)節(jié)。放大后的信號進入模擬噪聲消除模塊，對遠場噪聲進行抑制。然后，信號再經(jīng)過后置放大器進一步放大，后置放大器增益范圍為6 - 18dB，可通過GB0 - GB2引腳進行調(diào)節(jié)。最終，處理后的信號通過差分輸出提供給后續(xù)電路。

四、設(shè)計要點

4.1 電源電路設(shè)計

• 低 dropout（LDO）電壓調(diào)節(jié)器：使設(shè)備獨立于電源電壓變化，確保穩(wěn)定的工作性能。
• Power On Reset（POR）電路：要求電源電壓在小于100ms內(nèi)從0V上升到(V_{DD})，保證設(shè)備的正常啟動。
• Mic Bias輸出：為駐極體麥克風提供低噪聲電源，通過在(V_{REF})引腳連接去耦電容來降低噪聲電壓。建議電容值大于1nF，電容值越大，Mic Bias輸出的噪聲電壓越低。

4.2 增益平衡與預(yù)算

在輸入信號動態(tài)范圍大、噪聲要求嚴格或輸出電壓動態(tài)范圍有限的系統(tǒng)中，合理的增益平衡至關(guān)重要。前置放大器增益設(shè)置過低會導(dǎo)致噪聲水平升高，而設(shè)置過高則會導(dǎo)致噪聲消除模塊和輸出級出現(xiàn)削波和飽和現(xiàn)象。因此，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，通過GA0 - GA3和GB0 - GB2引腳精心調(diào)整前置放大器和后置放大器的增益。

例如，在使用最大輸出電壓為(50 mV{P - P})的麥克風，且后續(xù)基帶芯片最大輸入電壓為(1.5V{P - P})的應(yīng)用中，經(jīng)過計算，選擇前置放大器增益為22dB、后置放大器增益為6dB可實現(xiàn)最佳性能。

4.3 麥克風放置

正確的麥克風放置對于LMV1091的性能至關(guān)重要。兩個麥克風之間的間距應(yīng)控制在1.5 - 2.5cm之間，以平衡近場語音保留和遠場噪聲抑制效果。同時，麥克風應(yīng)與近場聲源呈端射陣列配置，避免呈寬邊陣列配置，否則會導(dǎo)致近場語音損失。

4.4 低通濾波器設(shè)計

在LMV1091的輸出端可配置一階低通濾波器（僅在“噪聲消除”模式下啟用），用于補償噪聲消除過程中產(chǎn)生的頻率響應(yīng)變化。濾波器的截止頻率應(yīng)在1.5kHz - 2.5kHz之間，可通過在LPF引腳和OUT引腳之間連接電容來實現(xiàn)。電容值的選擇取決于所選的輸出增益，具體可參考數(shù)據(jù)表中的表格。

五、測試方法

5.1 遠場噪聲抑制（FFNS）測試

• 向Mic1和Mic2輸入頻率和幅度相等（(25 mV_{P - P})）的正弦波，將Mic2的相位相對于Mic1延遲1.1°。
• 測量輸出電平（X）。