MAX9814：带AGC和低噪声麦克风偏置的麦克风放大器

在电子设备的音频处理领域，一款性能出色的麦克风放大器至关重要。今天我们要介绍的就是Analog Devices公司的MAX9814，它是一款低成本、高品质且带有自动增益控制（AGC）和低噪声麦克风偏置的麦克风放大器。

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一、产品概述

1. 主要组成

MAX9814由低噪声前置放大器、可变增益放大器（VGA）、输出放大器、麦克风偏置电压发生器和AGC控制电路等多个不同电路组成。

2. 基本特性

• 增益调节：低噪声前置放大器具有固定的12dB增益，VGA增益可根据输出电压和AGC阈值自动从20dB调整到0dB，输出放大器提供8dB、18dB和28dB的可选增益。在无压缩情况下，放大器级联可实现40dB、50dB或60dB的总增益。
• AGC控制：通过外部电阻分压器控制AGC阈值，单个电容可设置攻击/释放时间，还有三电平数字输入可设置攻击与释放时间的比率，AGC的保持时间固定为30ms。
• 麦克风偏置：低噪声麦克风偏置电压发生器可为大多数驻极体麦克风提供偏置。
• 封装与温度范围：采用节省空间的14引脚TDFN封装，工作温度范围为 -40°C至 +85°C。

二、应用领域

MAX9814的应用十分广泛，涵盖了众多需要音频处理的设备，如：

• 影像设备：数码相机、数码摄像机。
• 便携设备：个人数字助理（PDA）、蓝牙头戴式耳机、高品质便携式录音机。
• 通信设备：双向通信器、IP电话/电话会议系统。
• 娱乐系统：如卡拉OK等。

三、产品特性亮点

1. 自动增益控制（AGC）

AGC功能可防止输入信号增益过大时输出出现削波现象。当输出电压超过预设极限时，AGC会检测到并以可选择的时间常数降低麦克风放大器的增益，以纠正过大的输出电压幅度，这一过程称为攻击时间。当输出信号幅度随后降低时，增益会在短时间内保持在降低状态，然后再缓慢增加到正常值，这就是保持和释放时间。

2. 多种增益设置

提供40dB、50dB、60dB三种增益设置，可通过三电平数字输入进行编程，满足不同应用场景对增益的需求。

3. 可编程攻击时间和攻击/释放比率

通过选择CT和GND之间的电容值以及设置A/R的逻辑状态，可以灵活设置攻击和释放时间。不同的攻击/释放比率可根据实际需求进行调整，小比率可最大化AGC的速度，大比率可提高音质并防止AGC对超过阈值的重复波动进行独立调整。

4. 宽电源电压范围

工作电源电压范围为2.7V至5.5V，具有较好的电源适应性。

5. 低噪声和低失真

输入参考噪声密度低至30nV/√Hz，总谐波失真加噪声（THD+N）典型值为0.04%，能保证音频信号的高质量。

6. 低功耗关机模式

当SHDN引脚为低电平时，电源电流降至0.01μA，输出进入高阻抗状态，同时麦克风的偏置电流也会关闭，有效降低功耗。

四、电气特性

在 (V{DD}=3.3V) 、 (SHDN=V{DD}) 、 (C{CT}=470nF) 、 (C{CG}=2μF) 、 (GAIN = V{DD}) 且 (T{A}) 从 (T{MIN}) 到 (T{MAX}) 的条件下，MAX9814展现出一系列出色的电气特性：

• 电源相关：工作电压范围为2.7V至5.5V，电源电流典型值为3.1mA，关机电源电流典型值为0.01μA。
• 噪声与失真：输入参考噪声密度典型值为30nV/√Hz，输出噪声典型值为430μVRMS，信噪比典型值为61dB（A加权为64dB），动态范围典型值为60dB，总谐波失真加噪声典型值在不同条件下有所不同。
• 增益特性：最大增益在不同设置下分别为40dB、50dB、60dB，最小增益也有相应的不同设置，最大输出电平在1% THD+N时为0.707VRMS，调节后的输出电平在AGC启用时为1.26 - 1.54VP-P。
• 其他特性：AGC攻击时间在 (C_{CT}=470nF) 时为1.1ms，攻击/释放比率有1:500、1:2000、1:4000三种可选等。

五、引脚配置与功能

1. 引脚名称及功能

引脚编号	引脚名称	功能
1	CT	连接定时电容，控制AGC的攻击和释放时间
2	SHDN	低电平有效关机控制
3	CG	放大器直流偏移调整，连接2.2µF电容到GND确保输出零偏移
4、11	N.C.	无连接，连接到GND
5	VDD	电源，通过1µF电容旁路到GND
6	MICOUT	放大器输出
7	GND	接地
8	MICIN	麦克风同相输入
9	A/R	三电平攻击和释放比率选择，控制AGC电路的攻击时间与释放时间的比率
10	GAIN	三电平放大器增益控制，设置不同的增益值
12	BIAS	放大器偏置，通过0.47µF电容旁路到GND
13	MICBIAS	麦克风偏置输出
14	TH	AGC阈值控制，TH电压设置增益控制阈值，连接TH到MICBIAS可禁用AGC
EP	暴露焊盘	连接到GND

六、详细工作原理

1. 信号放大过程

MAX9814对输入信号的放大分为三个阶段。首先，输入信号通过低噪声前置放大器进行缓冲和放大，增益为12dB。然后，由AGC控制的VGA对信号进行进一步处理，VGA/AGC组合可将增益从20dB调整到0dB。最后，输出放大器根据三电平逻辑输入设置固定增益（8dB、18dB或28dB）。

2. AGC工作机制

• 攻击时间：当输入信号超过阈值水平后，AGC开始降低增益，攻击时间内的增益衰减呈指数形式，时间常数为2400 x (C_{CT}) 秒。短攻击时间可使AGC快速响应瞬态信号，长攻击时间则可让AGC忽略短持续时间的峰值，仅在响度明显增加时降低增益，从而最大化输出动态范围。
• 保持时间：信号低于阈值水平后，在释放阶段开始前有30ms的保持时间，该时间不可调节。若有信号超过设定阈值水平，保持时间将被取消，攻击时间重新开始。
• 释放时间：输出信号低于阈值水平且30ms保持时间结束后，增益恢复到正常水平所需的时间即为释放时间。释放时间可通过选择 (C_{CT}) 设置攻击时间，并通过配置A/R设置攻击与释放时间的比率来调整，最小为25ms。
• AGC输出阈值：通过外部电阻分压器可调节激活AGC的输出阈值，设置好分压器后，AGC会降低增益使输出电压与TH输入设置的电压相匹配。

七、应用设计要点

1. 编程攻击和释放时间

可根据表2选择CT和GND之间的电容值以及A/R的逻辑状态来设置攻击和释放时间。例如，当 (C_{CT}=470nF) 且 (A/R = GND) 时，攻击时间为1.1ms，释放时间为550ms。

2. 设置AGC阈值

要设置麦克风输出被钳位的输出电压阈值，需从MICBIAS到地连接一个外部电阻分压器，并将分压器的输出连接到TH。 (V{TH}) 决定了输出被钳位的峰值输出电压阈值，输出的最大信号摆幅限制为2倍的 (V{TH}) ，直到输入信号幅度降低。若要禁用AGC，可将TH连接到MICBIAS。

3. 麦克风偏置电阻

MICBIAS能够提供20mA的电流，应选择合适的 (R_{MICBIAS}) 值为驻极体麦克风提供所需的偏置电流。对于典型灵敏度的麦克风，2.2kΩ通常就足够了，具体可参考麦克风的数据手册。

4. 偏置电容

MAX9814的BIAS输出内部经过缓冲，可提供低噪声偏置，需通过470nF电容旁路到地。

5. 输入电容

输入交流耦合电容 (C{IN}) 和麦克风放大器的输入电阻 (R{IN}) 形成一个高通滤波器，可去除输入信号中的直流偏置。应选择合适的 (C_{IN}) ，使高通滤波器的 -3dB点远低于感兴趣的最低频率，同时建议使用低电压系数电介质的电容。

6. 输出电容

MAX9814的输出偏置为1.23V，为消除直流偏移，需使用交流耦合电容 (C{OUT}) 。 (C{OUT}) 和下一级的输入电阻 (R{L}) 会形成一个高通滤波器，同样要根据实际情况选择合适的 (C{OUT}) 。

7. 关机操作

当SHDN引脚为低电平时，MAX9814进入低功耗关机模式，电源电流大幅降低，输出进入高阻抗状态，麦克风偏置电流关闭。使用时不要让SHDN引脚悬空。

8. 电源旁路和PCB布局

电源需通过0.1μF电容旁路到地，应尽量减小走线长度以降低杂散电容，并将外部组件尽可能靠近器件放置，建议使用表面贴装组件。在有模拟和数字地的系统中，应将MAX9814连接到模拟地。

八、订购信息

产品型号	温度范围	引脚封装
MAX9814ETD+T	-40°C至 +85°C	14 TDFN-EP*

其中，“+” 表示无铅/符合RoHS标准的封装，“T” 表示卷带包装，“EP” 表示暴露焊盘。

综上所述，MAX9814凭借其出色的性能和丰富的功能，为电子工程师在音频处理设计中提供了一个可靠的选择。在实际应用中，合理运用其各项特性和遵循设计要点，能够实现高质量的音频放大和处理。你在使用类似的麦克风放大器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。