驻极体MIC前置放大电路设计

目录

第一章摘要 ...................................................................................................... 2 第二章 引言 ..................................................................................................... 2 第三章 基本原理 ............................................................................................. 2 3.1 驻极体话筒原理概述 .................................................................................... 2 3.2 前置放大电路的原理概述 ............................................................................ 4 第四章 参数设计及运算 .................................................................................. 4 4.1结构设计 ......................................................................................................... 4 4.2 测量电路的设计与参数计算 ........................................................................ 4 4.2.1 放大电路的简化模型.............................................................................. 4 4.2.2中频段通带增益的估算........................................................................... 6 4.2.4 下限截止频率的估算.............................................................................. 7 4.2.5 具体参数设计.......................................................................................... 8 4.3 仿真结果 ........................................................................................................ 9 第五章 误差分析 ........................................................................................... 10 5.1 理论计算中的误差分析 .............................................................................. 11 5.2 运算放大器的非理想误差分析 .................................................................. 11 第六章 结论 ................................................................................................... 12 第七章 心得体会 ........................................................................................... 12 参考文献 ........................................................................................................ 14

第一章 摘要

驻极体前置放大器是基本的低电平音频放大电路，因为可能要处理大动态范围的信号电平、多种类型的驻极体话筒以及各种等级的信号源阻抗，所以它有丰富多样的组成形式。这些因素都会影响特定应用场合的电路优化。本课程设计讨论的主要是驻极体话筒的前置放大电路设计。

第二章 引言

随着我国通讯事业的迅猛发展，对驻极体传声器的需求也越来越大。目前，一些小型的驻极体传声器虽然可以将场效应管集成于传声器内部，但由于高端产品的售价高昂，低端产品传声器的精度和灵敏度又无法保证，再加上传统的前置放大器体积又过于庞大。因此，设计一种体积尽可能小，成本低廉而性能优良的前置放大器具有十分重要的意义。

第三章 基本原理

3.1 驻极体话筒原理概述

传声器是一种将声信号转变为相应的电信号的电声换能器。驻极体传声器是一种用驻极体材料制造的新型传声器。它具有结构简单、灵敏度高等优点，被广泛应用于语言拾音、声信号检测等方面。

驻极体传声器内部主要包括声电转换和阻抗变换两部分。声电转换部分包括振膜、极板、空隙三部分。声电转换的关键元件是振动膜，它是一片极

薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜，然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷，膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开，这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当声音传入时，振膜随声波的运动发生振动，此时振膜与固定电极间的电容量也随声音而发生变化。从而产生了随声波变化而变化的交变电压信号，如此就完成了声音转换为电信号的过程。电压变化的大小，反映了外界声压的强弱，这种电压变化频率反映了外界声音的频率。驻极体传声器振膜与极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。因而这个电信号输出阻抗很高，而且很弱。因此，不能将驻极体传声器的输出直接与音频放大器相接。而场效应晶体管具有输入阻抗极高、噪声系数低的特点，因此，一般是在传声器内部接入一只输入阻抗极高的结型场效应晶体三极管用来放大驻极体电容产生的电压信号，同时以比较低的阻抗在源极S或者漏极G输出信号，实现阻抗变换，如图1所示。

传声器

图3.1 阻抗转换器

图1可以看出UOUT1或UOUT2为传声器的输出信号，由于UOUT1不会受

到电源噪声VDD的影响，具有较强抗电源噪声干扰能力，所以将UOUT1接到前置放大器进行放大。

3.2 前置放大电路的原理概述

前置放大器的作用一方面是对电容传声头输出的信号进行预放大，另一

方面主要是将电容头的高输出阻抗转换为低阻抗输出。下面将详细分析的放大电路。

传声器的前置放大电路运放采用了NE5532，低成本，微功耗。它的作用是包括对输入电压的放大和根据输入信号的要求对其进行滤波。

第四章 参数设计及运算

4.1结构设计

驻极体话筒电路主要包括三部分如图4.1所示：

图4.1 驻极体放大电路结构图

本课程设计主要针对图中第二部分进行讨论与研究。其功能主要是对前边的输入信号进行放大和滤波，并根据输入输出0到2.5V的电压，以便显示系统对被测量量进行显示。

4.2 测量电路的设计与参数计算 4.2.1 放大电路的简化模型

传声器的前置放大电路如图4.2.1所示。为便于电路的分析，

令＝＝

+1／(j

ω

)

)＝

／(1+jω

)，

／／1／(jω

根据理想运放所具有的虚短和虚断的特点，可以得到电路的传递函数为：

AU==1+=1+=

4.2.1

从式4.2.1可以看出。当ω→∞或ω→0时，电路的传递函数Au→1。

UOUT1

图 4.2.1 驻极体话筒前置放大电路

U0

4.2.2中频段通带增益的估算

在语音信号的频段(20 Hz～20 kHz)内，选择合适的则1+Au≈1+

／

≈1，若1+jω。若取

≈jω

、值，使

≈O，

则带入式4.2.1传递函数中，可得／

≈

／

。

=1，则Au=1+

4.2.3 上限截止频率的估算

当信号的频率较高时，即在通频带内ω值较大，且可变为：

=

时，式4.2.1

AU=1+

=

4.2.3

从上式可以看出，

率。

)

，即 )是电路对应的上限截止频

4.2.4 下限截止频率的估算

当信号的频率较低时，即在通频带内ω值较小且C2≈1，式4.2.1可变为：

=

时，则1+jωR2

AU=1+

=

4.2.4

从上式可以看出，ω=1／(

)时，即f=1／(

)是电路对应的下

限截止频率。

4.2.5 具体参数设计

1．由以上分析可知电路增益A取决

于

_________________________ㆴ_ㆴ_ㆴ_ㆴ_㇄_㇄_㇄_㙄_

〖〗__ 〖〗

令

2．由设计要求可知驻极体话筒传感器敏感范围为20-2kHz，则设计的放大器的上下限频率范围应分别是2kHz和20Hz.。

则有以上分析可知、 f=1／(2

π

)=2kHz

f=1／(2π

=20Hz

则由以上四个式子可得

3．令

到此可得放大电路的所有参数。

4.3 仿真结果

在运算放大电路设计完了以后，我们对其结果进行了Multisim仿真，其仿真图如图6.1所示：

图6.1 Multisim仿真电路

由于在第四章中计算的电容不是标准电容值，因此在仿真的过程中C2用的是0.82nF的电容，C1用的是820nF的电容。另外，由于在multisim中没有驻极体话筒传感器，无法得到其真实的输出情况，因此只能用交变的电压源代替用来仿真。

用示波器测量其输入和输出电压，并对其进行对比，其仿真结果如图6.2所示：

图 6.2 multisim仿真结果

当设定电源频率为1000Hz的时候，其multisim仿真结果如图6.2所示，由此可知，其放大倍数大体为10倍，其频率不变。其对0V的偏置取决于 _/(_

U=15*

第五章 误差分析

这个电路的误差主要包括三部分：理论计算中的误差、运算放大器的非理想误差和各种元件误差。而理论计算中的误差和运算放大器非理想误差是主要的部分，因此在下边主要分析这两种误差。

5.1 理论计算中的误差分析

在理论计算中，其放大倍数实际是Au=1+，而在实际的计算中，把放

大倍数当做 __D_Dd，而实际的放大倍数为11倍，并非10倍，因此在multisim仿真的结果并非严格的10倍。其误差可表示为:

*100%=1/11*100%=9.1%

5.2 运算放大器的非理想误差分析

在我们的设计中都是假设有一种完美的放大器，适用于任何电路设计。这种完美的运算放大器具有无限大的开环增益和带宽，其偏置电压、输入偏置电流、输入噪声和电源电流都为零，它能够在任意电源电压下工作。既然它是真正完美的，那也应该是免费的。但这种完美的运算放大器实际上根本不存在，也不可能存在。

在精密电路设计中，偏置电压是一个关键因素。对于那些经常被忽视的参数，诸如随温度而变化的偏置电压漂移和电压噪声等，也必须测定。精确的放大器要求偏置电压的漂移小于200μV和输入电压噪声低于６nV/√Hz。随温度变化的偏置电压漂移要求小于1μV/℃ 。

低偏置电压的指标在高增益电路设计中很重要，因为偏置电压经过放大可能引起大电压输出。 在音频应用中，运算放大器主要有两个作用：麦克风放大、耳机或扬声器输出。

对麦克风放大器的噪声要求很高，这是因为放大器能提供20dB到40dB的增益，它既能放大麦克风的信号，也能放大任何来自运放的噪声。

因此，运算放大器的有限增益和带宽、偏置电压和对音频噪声的放大都会增加整个电路的误差。

第六章 结论

本文中所设计的传声器前置放大电路具有设计简单，实现方便的特点。输入阻抗高，抗干扰性能强等优点。此外，前置电路还可根据需要选用3～18 V电压源供电，以满足不同条件下的工程需求。目前1／2英寸驻极体传声器前置电路器在工程实践中已经得到了很好的应用。

第七章 心得体会

两周的测控电路课程设计结束了，通过本次课程设计我的感触颇多，首先谈谈我的收获。

作为一名检测专业的学生，应该具备基本的设计电路和仿真结果的技能，之前对这门课的掌握仅仅停留在给一个题会照着公式算出来的水平，对于设计电路却一点概念都没有，通过这次对驻极体前置放大电路的设计我们不但对熟练掌握了multisim这个软件，了解了更多实际应用当中用到的放大器型号，而且更加深刻的体会到理想和实际的差别，为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，且有很好的仿真结果，我们一次次翻阅各种电路设计书，不能只要求电路美观，它必须要有一定的实用性。我们做的是课程设计，而不是艺术家的设计。艺术家可以抛开实际，尽情在幻想的世界里翱翔，我们是以后要干的是实际的设计，一切都要有据可依.有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。而且通过用multisim对结

果一次次的仿真我发现有时候结果并不像我们想象中的那样，只有对电路进行十分准确的分析和理解才能的到要求的结果。

另外，课堂上也有部分知识不太清楚，于是我又不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是我作本次课程设计的第二大收获。而且通过学习掌握了一些基本的绘图知识，对公式的编辑也有了更深的了解，而仅仅是复制粘贴这么简单。

因为是第一次做电路这方面的设计，在其过程中难免会遇到一些问题。在设计过程中也看到了自己的一些不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中还会遇到一些意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。这也激发了我今后努力学习的动力，这将对我以后的学习产生积极地影响。通过这次设计我懂得了努力学习的重要性，了解到了理论与实践结合的重要性学会了坚持，耐心和努力。

整个设计我基本上还满意，由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。希望老师有什么意见尽管提出来，以便我们能更好的了解到自己的不足，在课后予以弥补。

参考文献

1. 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计

2. 模拟电子技术

3. 电路理论

4. 数字电子技术