CN104104345A - 一种低噪声的麦克风输入放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低噪声的麦克风输入放大器，包括：外部信号源的正端通过跨导单元连接运算放大器的同相输入端；外部信号源的负端通过跨导单元连接运算放大器的反相输入端；跨导单元，用于将外部信号源的电压信号转换为电流信号；运算放大器的同相输入端通过一个第二电阻连接运算放大器的负输出端；运算放大器的反相输入端通过一个第二电阻连接运算放大器的正输出端。增加一个跨导单元Gm，去除了现有技术中的第一电阻，利用跨导单元Gm将电压信号转换为电流信号，然后再经过闭环的运算放大器OP将电流信号再转换为电压信号。在外部信号源的幅度较小时，可以实现高增益的放大功能，还可以保证较低的噪声，具有较高的信噪比。

Description

一种低噪声的麦克风输入放大器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种低噪声的麦克风输入放大器。

背景技术

在音频集成电路系统中，麦克风（MIC）输入放大器是实现高品质录音的关键，普通的MIC输入放大器采用电阻和运算放大器组成闭环反馈系统，该MIC输入放大器的增益是可调的。

参见图1，该图为现有技术中的一种MIC输入放大器的示意图。

运算放大器OP是一个高增益、低噪声的运放。

需要说明的是，该运算放大器OP是差分放大器（包括同相输入端和反相输入端），该运算放大器OP的增益是由电阻第二电阻R2和第一电阻R1的比值来决定的，具体地，可以通过调节第二电阻R2和第一电阻R1的比值来调节增益。

在低增益时，该MIC输入放大器能够支持较大的输入幅度而保持信号很好的线性度，同时可以保证输出信号具有低噪声。

但是，在外部信号源（MIC的输入信号）信号幅度很小时，必须需要运放OP增益很高，通常会达到40dB以上的增益，即需要比值R2/R1很大。这样R1上的白噪声也会被混合到输出信号中，并且该白噪声被同样的放大，因此将导致后续电路（MIC运放输出之后的电路，如录音的ADC或者功率放大器）的信噪比很低。白噪声是电阻的一个噪声特征，不随频率变化，只要是电阻，就有噪声，从直流到某一个频率f的电阻R的总噪声为Vn^2=4*K*T*R*f，其中T为绝对温度。需要说明的是，信噪比（SNR）是指放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，常用分贝数表示。

如果选择降低R1的阻值来降低其噪声，那么外部信号源VIP和VIN的内阻R0（主要是指麦克风自身的内阻或者芯片外的信号驱动电路的输出阻抗）相对于R1就会较大，R1相当于外部信号源的负载，由于R1相比较R0较小，这样R1上分得的外部信号将会降低，导致放大后的信号幅度还是不够大，因为输入信号变小了，因此导致OP的信噪比同样也比较低。

综上所述，对于小幅度的输入信号，现有技术中的MIC输入放大器很难实现具有高增益的同时，也具有较高的信噪比。

因此，如何提供一种MIC输入放大器，既能够具有高增益，又具有较高的信噪比是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低噪声的麦克风输入放大器，既具有高增益，又具有较高的信噪比。

本发明实施例提供一种低噪声的麦克风输入放大器，包括：运算放大器、跨导单元和两个第二电阻；

外部信号源的正端通过所述跨导单元连接所述运算放大器的同相输入端；

所述外部信号源的负端通过所述跨导单元连接所述运算放大器的反相输入端；

所述跨导单元，用于将外部信号源的电压信号转换为电流信号；

所述运算放大器的同相输入端通过一个所述第二电阻连接所述运算放大器的负输出端；

所述运算放大器的反相输入端通过一个所述第二电阻连接所述运算放大器的正输出端。

优选地，还包括：两个第一开关、两个第二开关和两个第一电阻；

所述外部信号源的正端通过一个所述第一开关连接所述跨导单元的第一输入端；

所述外部信号源的负端通过一个所述第一开关连接所述跨导单元的第二输入端；

所述外部信号源的正端通过串联的一个第二开关和一个第一电阻连接所述运算放大器的同相输入端；

所述外部信号源的负端通过串联的一个第二开关和一个第一电阻连接所述运算放大器的反相输入端；

当外部信号源大于预设值时，所述两个第二开关均闭合，两个第一开关均断开；当外部信号源小于或等于预设值时，所述两个第二开关均断开，两个第一开关均闭合。

优选地，所述跨导单元包括：两个第三电阻、第一PMOS管、第二PMOS和三个电流源；

所述外部信号源的正端连接第一PMOS管的栅极，第一PMOS管的源极通过一个第三电阻和第一电流源连接VCC；第一PMOS管的漏极通过第二电流源接地；

所述外部信号源的负端连接第二PMOS管的栅极，第二PMOS管的源极通过一个第三电阻和所述第一电流源连接所述VCC；第一PMOS管的漏极通过第三电流源接地；

所述第一PMOS管的漏极连接所述运算放大器的同相输入端；所述第二PMOS管的漏极连接所述运算放大器的反相输入端。

优选地，所述第二电流源和第三电流源的电流相等，并且均为所述第一电流源的电流的二分之一。

优选地，所述第一PMOS管和第二PMOS管的参数相同；所述参数包括MOS管宽、长以及跨导。

优选地，所述外部信号源的正端依次通过第一电容和跨导单元连接所述运算放大器的同相输入端；

所述外部信号源的负端依次通过第二电容和所述跨导单元连接所述运算放大器的反相输入端；

所述第一电容的容值与第二电容的容值相同。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本实施例提供的低噪声的麦克风输入放大器，增加一个跨导单元Gm，去除了现有技术中的第一电阻，利用跨导单元Gm将电压信号转换为电流信号，然后再经过闭环的运算放大器OP将电流信号再转换为电压信号。通过跨导单元Gm的电流大小和闭环运算放大器的反馈电阻大小变化可以实现增益的调节。在外部信号源的幅度较小时，该电路可以实现高增益的放大功能，并且同时还可以保证较低的噪声，即具有较高的信噪比。

附图说明

图1是现有技术中的一种MIC输入放大器的示意图；

图2是本发明提供的低噪声的麦克风输入放大器实施例一示意图；

图3是本发明提供的低噪声的麦克风输入放大器实施例二示意图；

图4是本发明提供的跨导单元的电路图；

图5是本发明提供的在40dB增益下的噪声性能仿真结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参见图2，该图为本发明提供的低噪声的麦克风输入放大器实施例一示意图。

本实施例提供的低噪声的麦克风输入放大器，包括：运算放大器OP、跨导单元Gm和两个第二电阻R2；

外部信号源的正端VIP通过所述跨导单元Gm连接所述运算放大器OP的同相输入端；

所述外部信号源的负端VIN通过所述跨导单元Gm连接所述运算放大器OP的反相输入端；

所述跨导单元Gm，用于将外部信号源的电压信号转换为电流信号；

所述运算放大器OP的同相输入端通过一个所述第二电阻R2连接所述运算放大器OP的负输出端；

所述运算放大器OP的反相输入端通过一个所述第二电阻R2连接所述运算放大器OP的正输出端。

本实施例提供的低噪声的麦克风输入放大器，增加一个跨导单元Gm，去除了现有技术中的第一电阻，利用跨导单元Gm将电压信号转换为电流信号，然后再经过闭环的运算放大器OP将电流信号再转换为电压信号。通过跨导单元Gm的电流大小和闭环运算放大器的反馈电阻大小变化可以实现增益的调节。在外部信号源的幅度较小时，该电路可以实现高增益的放大功能，并且同时还可以保证较低的噪声，即具有较高的信噪比。需要说明的是，对于一个级联的放大系统，主要的噪声源来自第一级，所以对图1而言，噪声源主要来自R1和OP的输入对管及负载对管，共6个噪声源，并且主要是R1，因为其电阻比较大。而对于图2，没有了电阻R1，只有Gm单元的输入对管和负载对管，共4个噪声源，如图4中的Rs值很小，噪声也很小，可以忽略；图2中的运放OP对于图2这样的系统而言，已经是第二级了，所以OP内部的噪声源可以忽略。

需要说明的是，图2所示的实施例中还可以包括第一电容C1和第二电容C2。C1和C2的作用是滤波。

需要指出的是，C1和C2不属于麦克风输入放大器内部的器件，而属于麦克风输入放大器所在的芯片外部的器件。

所述外部信号源的正端VIP依次通过第一电容C1和跨导单元Gm连接所述运算放大器OP的同相输入端；

所述外部信号源的负端VIN依次通过第二电容C2和所述跨导单元Gm连接所述运算放大器的反相输入端。

由于图2提供的麦克风输入放大器对于外部信号源的幅度较高时，线性度不是特别高，因此，本发明在图2的基础上还提供了一种实施例。

参见图3，该图为本发明提供的低噪声的麦克风输入放大器实施例二示意图。

本实施例提供的低噪声麦克风输入放大器在图2所示的实施例的基础上还包括：两个第一开关K、两个第二开关K_b和两个第一电阻R1；

所述外部信号源的正端VIP通过一个所述第一开关K连接所述跨导单元Gm的第一输入端；

所述外部信号源的负端VIN通过一个所述第一开关K连接所述跨导单元Gm的第二输入端；

所述外部信号源的正端VIP通过串联的一个第二开关K_b和一个第一电阻R1连接所述运算放大器OP的同相输入端；

所述外部信号源的负端VIN通过串联的一个第二开关K_b和一个第一电阻R1连接所述运算放大器OP的反相输入端；

当外部信号源小于或等于预设值时，所述两个第一开关K均闭合，两个第二开关K_b均断开；当外部信号源大于预设值时，所述两个第一开关K均断开，两个第二开关K_b均闭合。

需要说明的是，当外部信号源大于预设值时，说明外部信号源的幅度较大，当外部信号源的幅度较大时，利用现有技术中的麦克风输入放大器便可以实现既有高增益又有高信噪比的功能，即图1所示的麦克风输入放大器。可以理解的是，图3所示的麦克风输入放大器，两个第一开关K均断开，两个第二开关K_b均闭合时，图3就与图1相同。

当外部信号源小于或者等于预设值时，说明外部信号源的幅度较小，此时利用图1的麦克风输入放大器不能实现既有高增益又有高信噪比的功能，需要利用图2所示的麦克风输入放大器来实现，即，将图3中的所述两个第一开关K均闭合，两个第二开关K_b均断开，此时图3与图2相同。

可以理解的是，图3中也包括第一电容C1和第二电容C2。

本实施例中，优选可以选择C1和C2的容值相等。其大小一般取决于麦克风的品质，容值大小一般在1uF～4uF。

需要说明的是，本发明实施例提供的麦克风输入放大器中的跨导单元Gm是比较成熟的技术，下面就以图4中的举例进行说明。

参见图4，该图为本发明提供的跨导单元的电路图。

本实施例提供的所述跨导单元包括：两个第三电阻Rs、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2和三个电流源；

需要说明的是，P1和P2组成跨导单元的输入差分对管。

所述外部信号源的正端VIP连接第一PMOS管P1的栅极，第一PMOS管P1的源极通过一个第三电阻Rs和第一电流源I1连接VCC；第一PMOS管P1的漏极通过第二电流源I2接地；

所述外部信号源的负端VIN连接第二PMOS管P2的栅极，第二PMOS管P2的源极通过一个第三电阻Rs和所述第一电流源I1连接所述VCC；第一PMOS管P1的漏极通过第三电流源I3接地；

外部信号源的输入信号经过P1和P2转换为电流信号。

所述第一PMOS管P1的漏极连接所述运算放大器的同相输入端；所述第二PMOS管P2的漏极连接所述运算放大器的反相输入端。

本实施例中所述第二电流源I2和第三电流源I3的电流相等，并且均为所述第一电流源I1的电流的二分之一。

可以理解的是，I2也可以不等于I3；只有在输入VIP和VIN大小一样的情况下才会I2=I3=0.5*I1，实际上I2+I3=I1是一定的，但I2和I3的具体大小取决于VIP和VIN信号大小。

需要指出的是，为了使P1和P2上的电流相等，因此，所述第一PMOS管P1和第二PMOS管P2的参数相同。所述具体参数包括宽W、长L以及跨导。

P1和P2的面积一般取得比较大，这样可以实现较小的低频噪声。但是同时需要考虑面积上的成本。

图4所示的跨导单元，除了利用P1和P2较大的面积实现低噪声以外，还利用了源极电阻（即第三电阻Rs）形成一个源极退化差分管，降低了该输入对管（P1和P2）的增益，但同时提高了线性度，也提高了增益的准确度。

下面结合图2和图4分析本发明实施例提供的麦克风输入放大器的优点。

在实际工作中，本发明实施例提供的图2中的主要噪声源只有图中的输入对管P1和P2以及负载的两个管子（此处是指I2和I3），因此，本发明提供的麦克风输入放大器仅有这四个噪声源。由于该跨导单元具有一定的放大作用，后续的运算放大器OP的管子噪声相对影响就低了很多，不会成为整个麦克风输入放大器中的主要噪声源。

而对于现有技术图1中的麦克风输入放大器，除了OP内部的输入对管和负载管，还有两个第一电阻R1的噪声，因此，现有技术1中至少有六个噪声源，并且为了使从芯片外进入的信号幅度到芯片上不能有很大的衰减，R1的阻值必须足够大，所以R1上的噪声是主要的噪声源。

综上所述，本发明实施例提供的麦克风输入放大器相对于现有技术中的，具有高增益和低噪声的优点。

对于两种方案的电路，在40dB增益下其噪声性能的电路仿真结果比较如图5示。

图1方案在40dB增益时，输出噪声990uV，其中电阻R1的白噪声占了20%；而图2方案同样增益下的输出噪声只有226uV。

然而图2方案，对于跨导单元Gm，其输入信号幅度始终不能太大，尽管采用了源极退化技术，为了保证信号的线性度，信号的输入幅度一般都小于100mV。

而对于输入幅度较大的外部信号源，现有技术图1，由于信号幅度已经比较大，增益可以放低，这样子整个输出的信噪比SNR还是能保持比较好的性能。

最终集成应用时，可以采用本发明图3对应的实施例，对于小幅度的外部信号源，第一开关K闭合，跨导单元Gm工作，其和后面的运算放大器OP一起实现高增益，同时由于跨导单元Gm本身的低噪声，即便增益很高，输出整体的噪声会比较低，并且此时由于输入信号幅度小，其线性度会比较好。在输入信号幅度较大时，开关K关断，K_b闭合，电阻R2/R1的比值和运放OP一起实现信号的放大，此时尽管R1和运算放大器OP内部的噪声源多一些，但增益相对较小，因为信号幅度已经很大了，所以输出信号上的噪声同样不会很高。

综上，本发明实施例提供的麦克风输入放大器可以实现外部信号源的幅度小时的高增益和低噪声放大。并且，无论外部信号源的幅度大小，最终都能实现输出信号的较高的信噪比。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种低噪声的麦克风输入放大器，其特征在于，包括：运算放大器、跨导单元和两个第二电阻；

外部信号源的正端通过所述跨导单元连接所述运算放大器的同相输入端；

所述外部信号源的负端通过所述跨导单元连接所述运算放大器的反相输入端；

所述跨导单元，用于将外部信号源的电压信号转换为电流信号；

所述运算放大器的同相输入端通过一个所述第二电阻连接所述运算放大器的负输出端；

所述运算放大器的反相输入端通过一个所述第二电阻连接所述运算放大器的正输出端。

2.根据权利要求1所述的低噪声的麦克风输入放大器，其特征在于，还包括：两个第一开关、两个第二开关和两个第一电阻；

所述外部信号源的正端通过一个所述第一开关连接所述跨导单元的第一输入端；

所述外部信号源的负端通过一个所述第一开关连接所述跨导单元的第二输入端；

所述外部信号源的正端通过串联的一个第二开关和一个第一电阻连接所述运算放大器的同相输入端；

所述外部信号源的负端通过串联的一个第二开关和一个第一电阻连接所述运算放大器的反相输入端；

当外部信号源大于预设值时，所述两个第二开关均闭合，两个第一开关均断开；当外部信号源小于或等于预设值时，所述两个第二开关均断开，两个第一开关均闭合。

3.根据权利要求1或2所述的低噪声的麦克风输入放大器，其特征在于，所述跨导单元包括：两个第三电阻、第一PMOS管、第二PMOS和三个电流源；

所述外部信号源的正端连接第一PMOS管的栅极，第一PMOS管的源极通过一个第三电阻和第一电流源连接VCC；第一PMOS管的漏极通过第二电流源接地；

所述外部信号源的负端连接第二PMOS管的栅极，第二PMOS管的源极通过一个第三电阻和所述第一电流源连接所述VCC；第一PMOS管的漏极通过第三电流源接地；

所述第一PMOS管的漏极连接所述运算放大器的同相输入端；所述第二PMOS管的漏极连接所述运算放大器的反相输入端。

4.根据权利要求3所述的低噪声的麦克风输入放大器，其特征在于，所述第二电流源和第三电流源的电流相等，并且均为所述第一电流源的电流的二分之一。

5.根据权利要求3所述的低噪声的麦克风输入放大器，其特征在于，所述第一PMOS管和第二PMOS管的参数相同；所述参数包括MOS管宽、长以及跨导。

6.根据权利要求1所述的低噪声的麦克风输入放大器，其特征在于，所述外部信号源的正端依次通过第一电容和跨导单元连接所述运算放大器的同相输入端；

所述外部信号源的负端依次通过第二电容和所述跨导单元连接所述运算放大器的反相输入端；

所述第一电容的容值与第二电容的容值相同。