低电压可变压缩和噪声门控麦克风前置放大器SSM2167：设计与应用解析

在电子设备的音频处理领域，麦克风信号的优化处理至关重要。今天我们要深入探讨的是一款名为SSM2167的低电压可变压缩和噪声门控麦克风前置放大器，它为个人电子设备和计算机音频系统中的麦克风输入调节提供了完整且灵活的解决方案。

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一、产品特性与应用场景

特性亮点

SSM2167采用10引脚封装，集成了完整的麦克风调节功能。它支持单3V电源供电，关机电流极低，小于2μA。具备可调节的噪声门限和压缩比，自动限幅功能可有效防止ADC过载。其噪声和失真极低，总谐波失真加噪声（THD + N）仅为0.2%，带宽可达20kHz。

应用场景广泛

该放大器适用于多种设备和系统，包括台式、便携式或掌上电脑、电话会议系统、通信耳机、双向通信设备、监控系统以及卡拉OK和DJ混音器等。

二、详细技术规格

音频信号路径参数

在特定测试条件下（(V{S}=3.0V)，(f = 1kHz)，(R{L}=100kΩ) ，(R{COMP}=0Ω) ，(T{A}=25^{circ}C) ，(V{IN}=100mV rms) ，(R{GATE}=2kΩ) ），其电压噪声密度在10:1压缩比时为20nV/√Hz，噪声在20kHz带宽且(V{IN}=GND)时为 - 70dBV，总谐波失真加噪声在(V{IN}=100mV rms)时为0.2%。输入阻抗为100kΩ，输出阻抗为145Ω，负载驱动能力方面，最小电阻负载为5kΩ，最大电容负载为2nF。输入电压范围在0.4% THD + N时为600mV rms，输出电压范围在相同条件下为700mV rms，增益带宽积在1:1压缩且VCA G = 18dB时为1MHz。

控制部分参数

VCA动态增益范围为40dB，固定增益为18dB，压缩比最小为1:1，最大为10:1，旋转点为63mV rms，噪声门范围为 - 40dBV。

电源参数

电源电压范围为2.5V至5.5V，电源电流典型值为2.3mA，直流输出电压为1.4V，电源抑制比为45dB。

三、工作原理剖析

典型传输特性

SSM2167的典型传输特性如图2所示，输出电平（dB）与输入电平（dB）呈函数关系。在VDE（向下扩展）到(V{RP})（旋转点）的输入信号范围内，输入电平变化“r”dB会导致输出电平变化1dB，“r”即为压缩比，可通过单个电阻(R{COMP})从1:1（无压缩）调整到10:1。输入信号高于(V_{RP})时，以约10:1的固定压缩比进行压缩，此区域为限幅区域，改变压缩比对限幅区域无影响。

功能模块分析

从功能框图来看，音频输入信号先经过输入缓冲器，再进入VCA。输入缓冲器为源提供约100kΩ的输入阻抗，SSM2167的INPUT（引脚5）存在约400mV的直流电压，因此接地源需使用隔直电容（C1），多数音频应用中0.1μF电容是不错的选择。输入缓冲器是单位增益稳定放大器，可驱动VCA的低阻抗输入和内部rms检测器。VCA是低失真、可变增益放大器，其增益由侧链控制电路设置。缓冲器输出和VCA输入之间必须使用外部隔直电容（C2），其值通常在4.7μF至10μF之间，铝电解电容是经济之选。VCA放大流经C2的输入信号电流，并将其转换为SSM2167输出引脚（引脚9）的电压。SSM2167的输出阻抗通常小于145Ω，引脚9的外部负载应大于5kΩ，设备的标称输出直流电压约为1.4V，因此接地负载需使用隔直电容。其带宽在所有增益设置下都很宽，在高达30dB的增益下，上3dB点超过1MHz。

电平检测器

SSM2167集成了全波整流器和真rms电平检测器电路，其平均时间常数由连接到AVG CAP（引脚6）的外部电容（(C{AVG})）设置。为使电平检测器在低至10Hz的低频下实现最佳运行，电容值应为2.2μF。可能需要对更大的(C{AVG})值进行一些实验，以减少过多低频环境背景噪声的影响。平均电容值会影响音质：该电容值过小可能会导致某些信号出现抽吸效应，而值过大则会导致对信号动态的响应时间变慢。推荐使用电解电容，其范围应为2μF至22μF。rms检测器滤波时间常数约为(10×C{AVG})毫秒（(C{AVG})单位为μF），该时间常数控制rms检测器中的稳态平均以及压缩的释放时间，即由于输入信号减小导致系统增益增加所需的时间。攻击时间（由于输入电平突然增加导致增益降低所需的时间）主要由内部电路控制，在大多数情况下，可将过载时间限制在小于35ms。

控制电路

rms电平检测器的输出是与缓冲器输出的真rms值的对数成比例的信号，并带有一个附加的直流偏移。控制电路从该信号中减去一个直流电压，对其进行缩放，并将结果发送到VCA以控制增益。VCA的增益控制是对数的，控制信号的线性变化会导致增益的dB变化，正是这种控制规律使得对对数rms信号进行线性处理，从而在输入/输出特性上提供平坦的压缩特性。

四、参数设置方法

压缩比设置

改变馈送到VCA的控制信号的缩放比例会导致电路压缩比“r”发生变化。通过在引脚8和VDD之间连接一个电阻（(R{COMP})）来设置压缩比，降低(R{COMP})的值会使压缩比变小，具体对应关系如表4所示。在2:1至10:1的压缩比范围内可实现AGC性能，这取决于具体应用。将(R_{COMP})短路会禁用AGC功能，使压缩比等于1:1。建议使用大于5kΩ的压缩电阻，若使用小于5kΩ的值，设备可能会将其视为短路（0Ω）。

噪声门阈值设置

噪声门阈值可通过连接在引脚7（GATE THRS）和(V{DD})之间的外部电阻(R{GATE})进行编程设置，向下扩展阈值可在 - 40dBV至 - 55dBV之间设置，与电阻值成反比。不建议使用大于5kΩ的(R_{GATE})电阻，因为SSM2167的本底噪声会导致在不产生问题的情况下无法进一步降低噪声门。

旋转点设置

SSM2167的旋转点内部设置为 - 24dBV（63mV rms），输入信号高于该点时会被内部电路衰减（限幅），可防止后续级（如编解码器或ADC）出现削波现象。

关机功能

将有源低电平（0V CMOS兼容输入）施加到SSM2167的SHUTDOWN引脚（引脚3），可将其电源电流降低到10μA以下。在此状态下，SSM2167的输入和输出电路呈高阻抗状态，输入引脚和输出引脚的电位由连接到SSM2167的外部电路决定。SSM2167从关机到开机命令的稳定时间约为200ms，从开机到关机则需要更多时间，通常小于1秒。对SSM2167的电源进行循环操作可实现更快的稳定时间，关到开的稳定时间小于200ms，开到关的稳定时间小于1ms，其关机电流与温度和电压有关。

五、PCB布局注意事项

由于SSM2167能够实现宽带宽操作，并且可以配置高达60dB的增益，因此在包含该IC及其相关组件的PCB布局中必须格外小心。布局应尽量减少SSM2167输出端到输入端的电容性反馈，避免输入和输出走线相邻。建议采用单点（星形）接地方式，同时保持短引脚长度和PCB走线长度。在有模拟地和数字地的应用中，SSM2167及其周围电路应连接到系统的模拟地。应明确避免使用绕线板连接和接地方式。

六、总结与思考

SSM2167作为一款功能强大的麦克风前置放大器，为各种音频应用提供了灵活且高效的解决方案。其丰富的可调节参数和优秀的性能指标使其能够适应不同的使用场景。然而，在实际应用中，我们需要根据具体需求仔细调整参数，同时注意PCB布局等细节，以充分发挥其优势。大家在使用SSM2167的过程中是否遇到过一些独特的问题或有一些特别的应用技巧呢？欢迎在评论区分享交流。