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李浯

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麦克风系统的解决方案

随着时代的发展，我们生活指数的提高，音频设备不再仅仅是专业的音乐工作者或是高收入人群才会触及的产品，越来越多的大众场合都能看到它们的身影。今天我们先来一起看看这两年越来越火的专业麦克风设备。

您能看到麦克风身影的场合有很多：乐器的演奏及歌唱表演，会议室开会，旅游景点的导游介绍，以及这两年火起来的网红直播，自媒体人的vlog视频拍摄 ……

麦克风设备按照通讯协议，可以划分为：有线麦克风及无线麦克风。一般在不考虑便携性的场合下，如录音棚或网红直播的时候，基本上都是用有线麦克风。但有些场合中，不方便带一堆的线缆，这时候便携的无线麦克风就是宠儿。

麦克风设备按照麦克风头的物理结构，又可以分为：动圈式麦克风，电容式麦克风，硅麦……其中动圈式麦克风所需要的外围电路简单轻巧。电容式麦克风的声音优异，但是需要额外的幻象电源进行供电。硅麦是这两年随着MEMS技术的不断发展而兴起的数字麦克风， 体积轻巧。

麦克风系统中，音质是首当其冲需要考虑的因素。 音频链路的元器件选择和音频链路的设计都将会影响音质：运放、音频ADC、音频DAC的应该怎么选择？音频ADC的前级电路是应该使用差分还是单端结构？音频DAC的后级电路呢？

其次电源轨的多样性，也是工程师在搭建麦克风系统时要斟酌的因素之一：电容麦的幻象电源该怎么设计？无线麦的电池充电电路该怎么设计？无线麦的系统功耗该怎么优化来延迟电池的使用寿命？运放供电的正负电源轨该怎么设计？

设计之初，您可以在ti官网上找到专业麦克风的系统框图，如下。



1. 音频运放：

2000年，TI对Burr-Brown的收购将Burr-Brown的精密信号链技术专长与TI先进半导体工艺技术和制造专长相结合。如今，新一代的TI音频运放OPA16xx 系列即是TI与Burr-Brown的完美结合：工艺进步改善了组件的线性度，从而实现了更低失真，高保真度的信号处理。

如下是TI音频运放选型一览表： 其中OPA1678, OPA1656, OPA1632 可帮您的麦克风产品涵盖从低端到高端的市场需求。

若您的麦克风系统是无线的通讯协议，建议考虑CMOS结构的音频功放。CMOS结构的音频运放中，电流引起的噪声会比BJT结构小很多，并且对无线的耐受性更强。TLV6742和OPA1671是5V供电的，既是CMOS结构也低压低功耗，非常适合带电池的无线麦克风产品中。



2. 音频ADC:

TI音频ADC在这两年得益于新工艺，确实有了不错的发展。主要优势如下：

  • 功耗：


-每个通道的功耗都低于9mW@48kHz

-单电源供电

-超低功耗睡眠模式

-提高带电池产品中的电池使用寿命

  • 音质：


-更高的动态记录范围

-同系列家族产品：DNR高达113dB (动态范围增益关闭的情况下) 和DNR高达123dB (动态范围增益关闭的情况下)的可供选择

  • 拓展性强：


-业界能达到123dB指标的功耗最低方案

-硬件控制和软件控制可选择

-2通道和4通道可选择

  • 低延时：


-支持的采样率可到786kHz

-内置滤波器选项灵活，包括线性相位、低延迟和超低延迟




Devices


Package


TLV320ADC6120（S/W）& PCM1820 (H/W)


2CH，20-pin 3mmx3mm WQFN


TLV320ADC6140（S/W） & PCM1840 (H/W)


4CH，24-pin 4mmx4mm WQFN










其他的系列中的型号还有：


Devices


Package


TLV320ADC3120 & PCM1821


106dB SNR, 2CH, 20-pin 3mmx3mm WQFN


TLV320ADC3140


106dB SNR, 4CH, 24-pin 4mmx4mm WQFN


TLV320ADC5120


120dB, 2CH, 20-pin 3mmx3mm WQFN


TLV320ADC5140


120Db, 4CH, 24-pin 4mmx4mm WQFN




3. 音频DAC:

TI 音频DAC产品的覆盖面也非常广，有硬件控制的, 有软件控制的， 有单端输出的，有平衡输出的。如下几个专业麦克风系统中的主推型号供您参考：

PCM5102A: 2CH, 24Bit, 106dB SNR, FS<=384kHz

PCM5122: 2CH, 24Bit, 112dB SNR, FS<=384kHz

PCM1794A: 2CH, 24Bit, 127dB SNR, FS<=192kHz

PCM4104: 4CH, 24Bit, 118dB SNR, FS<=192kHz



4. 电源轨：

文章开头有提到专业麦克风系统中的电源轨设计也非常的多样。通常会有给运放供电的正负电源轨， TI的电荷泵方案就是很好的选择，如LM2776, LM27761, LM27762等。有线麦克风系统中，若是电容麦还需要一个幻象电源给金属电极进行供电，常见的幻象电源电压为12V，24V和48V。TI的升压开关电源芯片集成度高，效率高，如TPS61390, LM51571就是很好的选择。

5. 无线麦克风系统：

若您的麦克风系统是无线麦克风系统。通常会用使用到1节或多节锂电池。一般1节锂电池，使用线性充电管理芯片即可。若多节锂电，选择开关结构的充电管理芯片会效率更高。

如下无线麦克风系统框图中的BQ25170是TI主推的线性充电管理芯片，非常适合使用在1节锂电池的无线麦克风系统中。主要优点如下：

  • BQ24040的新一代
  • VBAT可通过单颗电阻选择为：1V, 4.2V, 4.35V, 4.4V
  • 支持0°到45°的HOT/COLD阈值设置




除了音频信号链和电源轨的设计，在无麦克风中间，无线传输方案的选择也很重要。 常见的无线传输协议有： 2.4GHz，BLE，Sub1GHz。 TI的无线传输方案主打低功耗，可以大大延长无线麦克风系统中充满电电池的工作时间。如下是几款无线传输部分的主推型号供您参考：

BLE: CC2640R2F, CC2642R, CC2652R

2.4GHz: CC8520

WiFi: CC3220S, CC3235S,

Sub1GHz: CC1310, CC1312R,CC1311R3

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