CN212726952U - 用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路。该放大电路包括连接麦克风的输出端的运算放大器和低通滤波器，其中，麦克风的正输出端经过第一电容和第一电阻连接运算放大器的正输入端，麦克风的负输出端经过第二电容和第二电阻连接运算放大器的负输入端，运算放大器的输出端连接低通滤波器的输入端，第三电阻的一端连接在第二电阻和运算放大器的负输入端之间而且另一端连接在运算放大器的输出端和低通滤波器的输入端之间，偏置电压输入端经过第四电阻连接到第一电阻和运算放大器的正输入端之间。该放大电路在实现了差分信号转单端信号的基础上，集成了信号增益及信号滤波的功能，从而有效地优化了硬件电路的复杂程度。
Description
技术领域
本实用新型涉及音频处理技术领域，尤其涉及一种用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路。
背景技术
随着人们生活质量的提升，人们对于噪声的要求也逐渐提高。对于高频率的噪声，可以通过被动材料的阻隔进行衰减。但是，低频率的噪声蕴含的能量相对较强，被动材料对其无法产生有效的衰减作用，低频噪声成为了降噪工作中的难点。于是，在1933年，德国科学家Paul Lueg首次提出了主动降噪的概念。主动降噪主要利用声波的相消性实现噪声的消除。即，发出一个与噪声声波相位相差180°的声波，两者叠加后便可抵消原噪声。能发出这样声波的前提是知道原噪声声波的波形，声波一般由麦克风进行采集。但是，麦克风把声信号转换出来的电信号比较微弱，一般都在毫伏级别，所以需要前置放大电路将电信号进行放大。麦克风常用的前置放大电路一般利用运算放大器进行反相放大，此方案的优点在于信号增益的调节比较方便，只需要改动两个电阻间的比值。但是，此电路会让输出信号反相，为了让输出信号不反相一般会把此电路改成两级级联。然而，由于运算放大器自身特性存在一定的相位偏移，两级级联方案则会加剧相位的偏移，从而增大延时。主动降噪对于延时的要求比较苛刻，在噪声从噪声源传播到误差麦克风(麦克风把采集到的噪声信号与目标值进行比较，得到误差用于算法进行信号处理)这段时间内，控制器必须完成噪声采样、信号处理以及反相波播放等步骤。如果信号在模拟路径上经历过多的环节，信号延迟的时间便会增加，不利于主动降噪的实现。此外，差分信号在传输过程中对于外界的电磁干扰的抗干扰能力比单端传输的要强，为尽量避免麦克风输出的模拟小信号被干扰选用差分传输较为理想。
公告号为CN207692060U、名称为《一种麦克风开关检测电路及麦克风信号放大电路》的中国专利文献公开了一种麦克风的放大电路。但是这种放大电路每一级运算放大器都会把信号反相180°，所以需要两级运算放大器，增加了成本。而且此电路无法直接连接输出信号为差分信号的麦克风。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，通过单个运算放大器及其外围电阻、电容形成的电路，实现把麦克风输出的差分信号转换为单端信号，同时可以将此信号进行增益以及带通滤波处理。
为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：
本实用新型提出一种用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路。所述用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路包括连接麦克风的输出端的运算放大器和低通滤波器，其中，所述麦克风的正输出端经过第一电容和第一电阻连接所述运算放大器的正输入端，所述麦克风的负输出端经过第二电容和第二电阻连接所述运算放大器的负输入端，所述运算放大器的输出端连接所述低通滤波器的输入端，第三电阻的一端连接在所述第二电阻和所述运算放大器的所述负输入端之间而且另一端连接在所述运算放大器的所述输出端和所述低通滤波器的所述输入端之间，偏置电压输入端经过第四电阻连接到所述第一电阻和所述运算放大器的所述正输入端之间。
可选地，对于所述用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，所述低通滤波器的输出端连接后端器件的输入端，所述后端器件包括模拟/数字转换器芯片、微控制单元和模拟功放中至少一种器件。
可选地，对于所述用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，所述运算放大器由单电源供电或双电源供电。
可选地，对于所述用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，当所述运算放大器由双电源供电时，所述偏置电压输入端接地，所述运算放大器的电源端连接正电源，所述运算放大器的接地端连接负电源。
可选地，对于所述用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，当所述运算放大器由单电源供电时，所述偏置电压输入端接入电压偏置，所述运算放大器的电源端连接正电源，所述运算放大器的接地端接地。
可选地，对于所述用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻和所述第四电阻组成信号增益调节网络。
可选地，对于所述用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，所述第一电容和所述第一电阻构成第一高通滤波器，所述第二电容和所述第二电阻构成第二高通滤波器。
可选地，对于所述用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，所述第一电容和所述第二电容为钽电容或陶瓷电容。
可选地，对于所述用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，所述第一电容和所述第二电容为带极性的电容时，所述带极性的电容的正极朝向所述运算放大器的所述输入端。
可选地，对于所述用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，所述低通滤波器为RC滤波器、LC滤波器和π型滤波器中任一种无源滤波器或者为有源滤波器。
与现有技术相比，本实用新型技术方案主要的优点如下：
由于采用了本实用新型实施例的用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，使得只能接收单端输入的模拟/数字转换器(ADC， Analog-to-Digital Converter)芯片也可接收差分信号，因为只能接收单端输入的ADC芯片相较于可接收差分输入的ADC芯片成本要低，而且本实用新型的电路核心器件为单个运算放大器，所以整体成本较低。另外，将信号增益及带通滤波功能集成在一个电路中，减小了硬件电路的复杂程度。
本实用新型实施例的用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，此电路仅需要一个运算放大器且输出信号与输入信号同相，电路本身集成了带通滤波电路，将非控制频段的噪声过滤掉，减少主芯片数字滤波的压力，进而减少整体的信号时延。同时，此电路能够把差分信号转换为单端信号，使得后续元器件更加方便对信号进行处理。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本实用新型一个实施例提供的用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路的原理图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施例。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1为本实用新型一个实施例提供的用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路的原理图。如图1所示，该实施例提供的用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路包括连接麦克风1的输出端的运算放大器2和低通滤波器 4，其中，麦克风1的正输出端经过第一电容C1和第一电阻R1连接运算放大器2的正相输入端，麦克风的负输出端经过第二电容C2和第二电阻R2连接运算放大器2的负相输入端，运算放大器2的输出端连接低通滤波器4的输入端，第三电阻R3的一端连接在第二电阻R2和运算放大器2的负相输入端之间而且另一端连接在运算放大器2的输出端和低通滤波器4的输入端之间，偏置电压输入端3经过第四电阻R4连接到第一电阻R1和运算放大器2 的正相输入端之间。
在该实施例种，低通滤波器4的输出端可以连接后端器件5的输入端。后端器件可以包括模拟/数字转换器(ADC，Analog-to-Digital Converter) 芯片、微控制单元(MCU，Microcontroller Unit)和模拟功放中至少一种器件。
麦克风1的输出信号一般具有直流和交流两个成分，其中直流成分起到偏置的作用，而麦克风1采集到的声信号则通过交流成分在电信号中体现。为了得到一个适用于后端器件5的偏置电压，在麦克风1的正负两个输出端分别加了一个隔直电容，即分别为第一电容C1和第二电容C2，先把麦克风 1输出信号中原有的直流偏置过滤掉，然后在偏置电压输入端3加入适合的电压。
运算放大器2可以使用单电源供电或双电源供电，由具体使用场景决定。当运算放大器2由双电源供电时，偏置电压输入端接地，运算放大器2的电源端+VCC连接正电源，运算放大器2的接地端连接负电源。图1所示的是单电源供电的情况，当运算放大器2由单电源供电时，偏置电压输入端需接入电压偏置，运算放大器的2的电源端+VCC连接正电源，运算放大器2的接地端接地。例如，假设数字信号处理(DSP，Digital Signal Processing)芯片模数转换(AD)模块的输入电压范围为0～3V，则偏置电压取1.5V便可以获得最大的测量范围。
如图1所示，麦克风1的差分信号经过隔直电容后，分别接入运算放大器2的正反相两端，然后由运算放大器2的输出端输出单端信号，从而实现差分信号到单端信号的转换。
第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4组成信号增益调节网络。作为一种可选实施方式，根据运算放大器2外围电阻的连接方式，而且第一电阻R1和第二电阻R2的电阻值相等，第三电阻R3和第四电阻R4 的电阻值相等，可以得到输入电压与输出电压之间的关系式：
由上述关系可以得到输出电压的大小与第四电阻R4(第三电阻R3)/第一电阻R1(第二电阻R2)电阻成正比例关系。因为R1＝R2且R4＝R3，所以上述关系式只取R4/R1和R3/R2中的任一组便可，上述关系式给出的是取 R4/R1这一组的例子。所以本实用新型的电路可以通过更改增益调节网络中电阻的阻值实现输入信号的增益。
第一电容C1与增益调节网络中的第一电阻R1构成第一高通滤波器，第二电容C2与增益调节网络中的第二电阻R2构成第二高通滤波器，分别对正反相两路差分信号进行滤波处理。因此第一电容C1(第二电容C2)的容值和第一电阻R1(第二电阻R2)的阻值会直接影响电路在低频段的表现。所构成的高通滤波器的截止频率fc由下面关系式决定：
此关系式用于计算高通滤波器的截止频率，对于由第一电阻R1和第一电容C1组成的第一高通滤波器，关系式中C是C1，并且R是R1；对于由第二电阻R2和第二电容C2组成的第二高通滤波器，关系式中C是C2，并且R 是R2。
该实施例中所使用的隔直电容还需考虑其漏电流回路，因为实际运用的电容不是理想电容，会存在漏电流，不同材质电容的漏电流大小不一样。漏电流会在运算放大器2的输入端生成直流偏移，从而减少有用信号的可用裕度。在本实施例中的漏电流路径为麦克风1输入端经过隔直电容C2，然后通过反馈电阻R3进入到负载，运算放大器2输出端后面的电路均视为运放电路的负载。此漏电流会在运算放大器2的输入端生成直流偏移，从而减少有用信号的可用裕度。因此，隔直电容C1和C2最好选用低漏电流的钽电容或陶瓷电容。当第一电容C1和第二电容C2使用带极性的电容时，带极性的电容的正极需朝向运算放大器2的输入端。由于运算放大器2的输入端具有一定电势，一般为电源电压的一半，所以电容正极需朝向运算放大器2的输入端。
低通滤波器4可以采用RC滤波器、LC滤波器和π型滤波器等中任一种无源滤波器，也可以采用有源滤波器。低通滤波器4的阶数决定了带外信号的衰减速度，可以根据具体需求进行调整。本实施例主要在主动降噪上运用，阶数过高的滤波器会引入较大的相位偏移，从而引起信号的延迟。过高的延迟不利于主动降噪的实现，因此在本实施例中二阶至三阶滤波器为宜。低通滤波器4结合上文所描述的高通滤波器在本实用新型电路中共同构成了带通滤波器。
综上所述，本实用新型实施例的用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路在实现了差分信号转单端信号的基础上，集成了信号增益及信号滤波的功能，从而有效地优化了硬件电路的复杂程度。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的权利要求保护范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，其特征在于，包括连接麦克风的输出端的运算放大器和低通滤波器，其中，所述麦克风的正输出端经过第一电容和第一电阻连接所述运算放大器的正输入端，所述麦克风的负输出端经过第二电容和第二电阻连接所述运算放大器的负输入端，
所述运算放大器的输出端连接所述低通滤波器的输入端，第三电阻的一端连接在所述第二电阻和所述运算放大器的所述负输入端之间而且另一端连接在所述运算放大器的所述输出端和所述低通滤波器的所述输入端之间，偏置电压输入端经过第四电阻连接到所述第一电阻和所述运算放大器的所述正输入端之间。
2.如权利要求1所述的用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，其特征在于，所述低通滤波器的输出端连接后端器件的输入端，所述后端器件包括模拟/数字转换器芯片、微控制单元和模拟功放中至少一种器件。
3.如权利要求1所述的用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，其特征在于，所述运算放大器由单电源供电或双电源供电。
4.如权利要求3所述的用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，其特征在于，当所述运算放大器由双电源供电时，所述偏置电压输入端接地，所述运算放大器的电源端连接正电源，所述运算放大器的接地端连接负电源。
5.如权利要求3所述的用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，其特征在于，当所述运算放大器由单电源供电时，所述偏置电压输入端接入电压偏置，所述运算放大器的电源端连接正电源，所述运算放大器的接地端接地。
6.如权利要求1所述的用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，其特征在于，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻和所述第四电阻组成信号增益调节网络。
7.如权利要求1所述的用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，其特征在于，所述第一电容和所述第一电阻构成第一高通滤波器，所述第二电容和所述第二电阻构成第二高通滤波器。
8.如权利要求1所述的用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，其特征在于，所述第一电容和所述第二电容为钽电容或陶瓷电容。
9.如权利要求1所述的用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，其特征在于，所述第一电容和所述第二电容为带极性的电容时，所述带极性的电容的正极朝向所述运算放大器的所述输入端。
10.如权利要求1所述的用于麦克风差分输入转单端输出的放大电路，其特征在于，所述低通滤波器为RC滤波器、LC滤波器和π型滤波器中任一种无源滤波器或者为有源滤波器。
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