LMV1089：远场降噪麦克风放大器的卓越之选

在当今的语音通信应用中，背景噪音的干扰一直是影响语音清晰度的一大难题。德州仪器（TI）推出的LMV1089双输入、具备自动校准功能的远场噪声抑制麦克风放大器，为解决这一问题提供了出色的解决方案。今天，我们就来深入了解一下这款产品。

文件下载：LMV1089VY NOPB.pdf

一、产品概述

LMV1089是一款全模拟的双差分输入、差分输出的麦克风阵列放大器，旨在减少背景声学噪声，同时在语音通信应用中提供出色的语音清晰度。它属于Powerwise™节能解决方案系列，功耗极低，仅消耗1.1mA的电源电流，性能远超功耗高出十倍以上的DSP解决方案。

二、产品特性

（一）低功耗与高效能

LMV1089具有低功耗的特点，正常工作时仅需1.1mA的电源电流，待机电流更是低至0.7μA（典型值）。这使得它在电池供电的设备中表现出色，能够有效延长设备的续航时间。

（二）功能丰富

1. 关机功能：提供硬件引脚（EN）和I2C两种关机方式，方便在不使用时降低功耗。
2. 无额外处理延迟：能够实时处理信号，确保语音的实时性。
3. 差分输入输出：有效提高抗噪能力，保证信号的稳定性。
4. 自动校准：在产品制造测试过程中进行快速校准，补偿整个麦克风系统，包括麦克风增益和频率响应的不匹配以及声学路径的差异，并将校准系数存储在片上EEPROM中。
5. 可调增益：预放大器增益范围为6 - 36dB，后放大器增益范围为6 - 18dB，可根据不同应用需求进行调整。
6. 出色的射频抗扰度：能够有效抵抗射频干扰，保证信号质量。
7. 节省空间的封装：采用36 - 凸点DSBGA封装，适合对空间要求较高的应用。

三、应用领域

LMV1089适用于多种语音通信设备，包括但不限于：

1. 耳机和吊杆麦克风：在嘈杂环境中提供清晰的语音拾取。
2. 移动手机和双向无线电：增强语音通信的质量。
3. 蓝牙和其他有源耳机：提升音频体验。
4. 手持语音麦克风：满足手持设备的语音输入需求。
5. 均衡立体声麦克风前置放大器：为立体声录音提供高质量的前置放大。

四、关键规格参数

（一）远场噪声抑制

在1kHz频率下，电远场噪声抑制可达37dB，有效降低背景噪音。

（二）电源电压和电流

电源电压范围为2.7 - 5.5V，典型电源电流为1.1mA，待机电流为0.7μA。

（三）信噪比和失真

A加权信噪比典型值为65dB，总谐波失真 + 噪声典型值为0.1%。

（四）电源抑制比

在217Hz时，电源抑制比典型值为96dB。

五、工作原理与应用设计

（一）工作原理

麦克风输出信号首先经过预放大器放大，增益可调范围为6 - 36dB。然后，信号经过噪声消除处理器处理，该处理器利用自动校准步骤中得出并存储在EEPROM中的系数，匹配麦克风的增益和频率响应以及外壳的声学特性。最后，经过降噪处理的信号由增益可调的后放大器（6 - 18dB）进一步放大。

（二）电源电路设计

LMV1089内部的低压差（LDO）电压调节器使其能够独立于电源电压变化。电源上电复位（POR）电路要求电源电压在小于100ms内从0V上升到VDD。Mic Bias输出为驻极体麦克风提供低噪声电源，VREF引脚的去耦电容决定了该内部参考的噪声电压，电容值越大，Mic Bias输出的噪声电压越低。

（三）关机功能实现

1. 硬件引脚关机：通过EN引脚控制，当EN引脚为低电平时，设备进入关机模式，禁用所有内部电路。
2. I2C关机：通过重新编程I2C寄存器，将I2C 'A'寄存器（地址0x01h）的第4位和第5位都写为'0'，可强制设备进入关机模式。

（四）可调增益设置

LMV1089有预放大器和后放大器两个增益级，增益可独立调节。在大多数应用中，增益可通过I2C接口设置。此外，设备还提供四个引脚（GA0、GA1、GB0、GB1）用于在设备上电时设置默认增益，方便没有微控制器的应用。

（五）增益平衡与预算

在输入信号动态范围大、噪声水平要求严格或输出电压动态范围受限的系统中，仔细进行增益平衡至关重要。过低的预放大器增益会导致噪声水平升高，而过高的增益则会导致噪声消除处理器和输出级出现削波和饱和现象。

（六）未处理输出引脚

LMV1089提供两个单端输出引脚M1_UNP和M2_UNP，分别提供两个差分麦克风输入放大器Mic1和Mic2的放大输出信号。在设备处于校准状态时，两个麦克风路径的输出电平匹配，适用于立体声应用。

（七）I2C兼容接口

通过SCL和SDA引脚实现I2C通信，需要根据I2C规范添加上拉电阻。LMV1089可通过两个从地址进行控制，数字I2C地址引脚用于选择地址。数据传输时，SDA线上的数据在时钟信号（SCL）的高电平期间必须稳定，START和STOP条件分别表示数据传输的开始和结束。

六、校准功能

（一）自动校准

自动校准通常在包含LMV1089的产品制造完成且应用封装之前进行一次。校准过程可通过数字接口CALIBRATE引脚（CAL）或I2C接口启动。校准的目的是为FFNS电路选择针对给定麦克风、间距和声学设计的优化系数。

（二）校准方式

1. 单音校准：使用1kHz的测试音进行校准，操作相对简单，但只能补偿两个麦克风在1kHz处的增益差异，远场噪声降低效果相对较弱。
2. 三音校准：依次施加1kHz、300Hz和3kHz的测试音，不仅能补偿麦克风之间的增益差异，还能校正频率响应差异并补偿外壳的声学影响，是更优选的校准方式。

（三）校准步骤

1. 通过CAL引脚启动校准：将PE引脚置高（启用EEPROM写入），CAL引脚置高启动校准，施加音频刺激，保持CAL引脚高电平至少790ms，移除音频刺激，将CAL引脚置低停止校准，最后将PE引脚置低（禁用EEPROM写入）。
2. 通过I2C命令启动校准：将PE引脚置高，向I2C寄存器'R'（地址0x12）的第0位写入'1'启动校准，施加音频刺激，等待至少790ms，移除音频刺激，向I2C写入'0'完成校准，将PE引脚置低。

七、麦克风放置与低通滤波器设计

（一）麦克风放置

麦克风的放置对于LMV1089的性能至关重要。两个麦克风的最佳间距为1.5 - 2.5cm，以平衡近场语音损失和远场噪声降低效果。同时，麦克风应与所需声源（近场语音）成一直线，并采用端射阵列配置，避免采用宽边阵列配置，以免造成大量近场语音损失。

（二）低通滤波器

在LMV1089的输出端可设置一阶低通滤波器（仅在“噪声消除”模式下启用），用于补偿噪声消除过程中频率响应的变化。低通滤波器的截止频率可在1.5kHz - 2.5kHz之间选择，其电容值取决于所选的输出增益。

八、测量与测试

（一）远场噪声抑制（FFNS）测量

通过特定的测试电路和步骤，模拟实际应用场景，测量远场噪声抑制效果。

（二）近场语音损失（NFSL）测量

同样采用特定的测试电路和步骤，模拟近场语音情况，测量近场语音损失。

（三）信噪比改善（SNRI）计算

SNRI是FFNS与NFSL的比值，反映了设备在抑制远场噪声的同时保留近场语音的能力。

九、总结

LMV1089以其低功耗、丰富的功能、出色的性能和灵活的设计，为语音通信应用提供了一种高效的远场噪声抑制解决方案。无论是在耳机、手机还是其他语音设备中，它都能有效提升语音清晰度，为用户带来更好的音频体验。作为电子工程师，在设计相关产品时，不妨考虑LMV1089，它可能会为你的设计带来意想不到的效果。你在实际应用中是否遇到过类似的噪声问题？你会选择LMV1089来解决这些问题吗？欢迎在评论区分享你的经验和想法。