LMV1091：一款卓越的双输入远场噪声抑制麦克风放大器

在语音通信应用中，背景噪声的干扰常常影响语音的清晰度和可懂度。TI的LMV1091双输入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。本文将详细介绍LMV1091的特性、应用、关键规格、电气特性以及应用设计要点。

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一、LMV1091概述

LMV1091是一款全模拟双差分输入、差分输出的麦克风阵列放大器，属于Powerwise™节能解决方案家族的一员。它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。该放大器能够保留麦克风4cm范围内的近场语音信号，同时抑制距离麦克风50cm以上的远场声学噪声，在适当配置并使用±0.5dB匹配的麦克风时，远场抑制能力可达20dB。

二、特性亮点

2.1 语音质量保障

• 无语音清晰度损失：确保在抑制噪声的同时，不会降低语音的可懂度，让语音通信更加清晰。
• 无额外处理延迟：实时处理语音信号，避免因延迟导致的交流不畅。

2.2 低功耗设计

• 低功耗消耗：仅消耗600μA的电源电流，相比功耗高出十倍以上的DSP解决方案，具有显著的节能优势。
• 关机功能：待机电流仅为0.1μA（典型值），进一步降低功耗。

2.3 高性能特性

• 差分输出：提供出色的抗噪声能力，减少外界干扰。
• 可调增益：增益范围为12 - 54dB，可根据实际应用需求进行调整。
• 优秀的射频抗扰度：有效抵抗射频干扰，保证信号的稳定性。

三、应用领域

• 移动耳机：在嘈杂环境中，有效抑制背景噪声，提供清晰的语音通话体验。
• 移动和手持双向无线电：确保在复杂的电磁环境下，语音通信的质量不受影响。
• 蓝牙和其他有源耳机：提升耳机的降噪性能，增强用户的听觉体验。
• 手持语音麦克风：适用于各种需要高质量语音输入的场景。

四、关键规格

4.1 远场噪声抑制性能

• FFNSE（f = 1kHz）：典型值为34dB，能够有效抑制远场噪声。
• SNRI：典型值为26dB，提高了信号与噪声的比值。

4.2 电源相关参数

• 电源电压：2.7V至5.5V，适应不同的电源环境。
• 电源电流：典型值为600μA，功耗较低。
• 待机电流：典型值为0.1μA，节省能源。

4.3 其他性能参数

• 信噪比（语音频段）：典型值为65dB，保证语音信号的质量。
• 总谐波失真 + 噪声：典型值为0.1%，减少信号失真。
• PSRR（217Hz）：典型值为99dB，有效抑制电源纹波的影响。

五、引脚功能

LMV1091采用25 - Bump DSBGA封装，各引脚具有不同的功能，如下表所示：	Bump Number	Pin Name	Pin Function	Pin Type
A1	MIC BIAS	麦克风偏置	模拟输出
A2	MIC2+	麦克风2正输入	模拟输入
A3	MIC2–	麦克风2负输入	模拟输入
A4	MIC1+	麦克风1正输入	模拟输入
A5	MIC1–	麦克风1负输入	模拟输入
B1	MODE0	麦克风模式选择引脚	数字输入
B2	MODE1	麦克风模式选择引脚	数字输入
B3	GA0	前置放大器增益选择引脚	数字输入
B4	GA1	前置放大器增益选择引脚	数字输入
B5	GND	接地	接地
C1	MUTE2	静音选择引脚	数字输入
C2	GB0	后置放大器增益选择引脚	数字输入
C3	NC	无连接
C4	GA2	前置放大器增益选择引脚	数字输入
C5	REF	参考电压去耦	模拟参考
D1	MUTE1	静音选择引脚	数字输入
D2	GB1	后置放大器增益选择引脚	数字输入
D3	GB2	后置放大器增益选择引脚	数字输入
D4	GA3	前置放大器增益选择引脚	数字输入
D5	VDD	电源	电源
E1	LPF+	正输出低通滤波器	模拟输入
E2	OUT+	正优化音频输出	模拟输出
E3	OUT-	负优化音频输出	模拟输出
E4	LPF-	负输出低通滤波器	模拟输入
E5	SD	芯片使能	数字输入

六、电气特性

6.1 3.3V电气特性

在3.3V电源电压下，LMV1091具有一系列出色的电气特性，如信噪比、输入参考噪声水平、最大输入信号、最大交流输出电压等。以下是部分关键参数：

• 信噪比（SNR）：在不同条件下，典型值为63dB（A加权，音频频段）和65dB（语音频段）。
• 输入参考噪声水平（eN）：A加权下典型值为5μV RMS。
• 最大输入信号（VIN）：THD + N < 1%，前置放大器增益为6dB时，典型值为880mV P - P。
• 最大交流输出电压（VOUT）：差分输出THD + N < 1%时，典型值为1.2V RMS。

6.2 5.0V电气特性

在5.0V电源电压下，LMV1091的电气特性与3.3V时相似，部分参数略有差异。例如，信噪比、输入参考噪声水平等参数保持稳定，而最大输入信号和最大交流输出电压等参数也能满足应用需求。

七、测试方法

7.1 远场噪声抑制（FFNS）测试

为了模拟真实应用场景，在FFNS测试中，对两个麦克风输入的信号进行了相位延迟处理。具体步骤如下：

1. 向Mic1和Mic2施加频率和幅度相等（25mV P - P）的正弦波，使用信号发生器将Mic2的相位相对于Mic1延迟1.1°。
2. 测量输出电平（X）。
3. 静音Mic2的信号。
4. 测量输出电平（Y）。
5. 计算FFNSE = Y - X dB。

7.2 近场语音损失（NFSL）测试

在NFSL测试中，考虑了声音源与麦克风的位置关系，对信号进行了相位延迟和幅度调整。具体步骤如下：

1. 分别向Mic1和Mic2施加25mV P - P和17.25mV P - P的正弦波，使用信号发生器将Mic2的相位相对于Mic1延迟15.9°。
2. 测量输出电平（X）。
3. 静音Mic2的信号。
4. 测量输出电平（Y）。
5. 计算NFSL E = Y - X dB。

7.3 信噪比改善（SNRI）测试

SNRI E定义为FFNS与NFSL的比值，即SNRI E = FFNS E - NFSL E。

八、应用设计要点

8.1 电源电路设计

• LDO电压调节器：LMV1091内置的低压差（LDO）电压调节器使其能够独立于电源电压变化，保证了稳定性。
• Power On Reset（POR）电路：要求电源电压在100ms内从0V上升到VDD，确保芯片正常启动。
• Mic Bias输出：为驻极体麦克风提供低噪声电源，其噪声电压取决于内部参考节点的噪声电压，VREF引脚的去耦电容应大于1nF，以降低Mic Bias输出的噪声电压。

8.2 增益平衡和增益预算

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。增益设置过低会导致噪声水平升高，而设置过高则会导致噪声消除处理器和输出级出现削波和饱和现象。通过合理选择前置放大器和后置放大器的增益，可以优化系统性能。例如，在不同的应用场景中，可以根据麦克风的最大输出电压和基带芯片的最大输入电压来选择合适的增益设置。

8.3 降噪模式设置

LMV1091具有四种模式设置，包括噪声消除模式、Mic1开启Mic2关闭、Mic1关闭Mic2开启以及Mic1和Mic2同时开启。可以通过Mode 0和Mode 1引脚进行控制，具体设置如下表所示：	Mode 1	Mode 0	Noise Reduction Mode Selection
0	0	噪声消除模式
0	1	仅Mic 1开启
1	0	仅Mic 2开启
1	1	Mic 1 + Mic 2

8.4 静音设置

Mic 1和Mic 2可以通过Mute 1和Mute 2引脚独立静音，具体设置如下表所示：	Mute 2	Mute 1	Mute Mode Selection
0	0	Mic 1和Mic 2开启
0	1	Mic 1静音
1	0	Mic 2静音
1	1	Mic 1和Mic 2静音

8.5 麦克风放置

由于LMV1091是一种麦克风阵列远场噪声降低解决方案，正确的麦克风放置对于实现最佳性能至关重要。需要考虑两个因素：两个麦克风之间的间距和两个麦克风相对于近场声源的位置。两个麦克风之间的最佳间距为1.5 - 2.5cm，以平衡近场语音损失和远场噪声降低效果。麦克风应与所需声源（近场语音）对齐，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。

8.6 输出低通滤波器

在LMV1091的输出端可以创建一个一阶低通滤波器（仅在“噪声消除”模式下启用），用于补偿噪声消除过程中产生的频率响应变化。该低通滤波器的截止频率应在1.5kHz至2.5kHz之间，其传递函数为： [H(s)=frac{ Post Amplifier gain }{sR{f} C{f}+1}] 可以通过在LPF引脚和OUT引脚之间连接一个电容来创建该低通滤波器，电容值取决于所选的输出增益。

九、总结

LMV1091是一款功能强大的双输入远场噪声抑制麦克风放大器，具有低功耗、高性能、可调节增益等优点。在语音通信应用中，它能够有效抑制背景噪声，提供清晰的语音信号。通过合理的应用设计，如电源电路设计、增益平衡、降噪模式设置、麦克风放置等，可以充分发挥LMV1091的性能优势。电子工程师在设计相关产品时，可以根据具体需求选择合适的配置，以实现最佳的语音通信效果。你在使用LMV1091的过程中遇到过哪些问题呢？或者对于它的应用还有哪些疑问？欢迎在评论区留言讨论。