學(xué)子專區(qū)—ADALM2000實(shí)驗(yàn):集成駐極體麥克風(fēng)的音頻放大器

目標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)旨在設(shè)計(jì)和構(gòu)建一款音頻放大器，該放大器從駐極體麥克風(fēng)獲取小輸出電壓并將其放大，以便驅(qū)動(dòng)小型揚(yáng)聲器。

背景知識(shí)

駐極體麥克風(fēng)是一種電容式麥克風(fēng)，其電容器極板上始終存在一定量的電荷，因而無需傳統(tǒng)電容式麥克風(fēng)中用于偏置電容器的外部幻象電源。然而，大多數(shù)商用駐極體麥克風(fēng)都會(huì)集成前置放大器（通常是開漏FET電路），因此只需低壓小電源。

我們可以使用晶體管來設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的音頻放大器，無論是否有負(fù)反饋。不過，負(fù)反饋能夠非常有效地改善失真性能。在本實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)O(shè)計(jì)構(gòu)建了一個(gè)交流耦合的同相運(yùn)算放大器，期望電壓增益為10，輸出端有一個(gè)環(huán)內(nèi)射極跟隨器，并且與揚(yáng)聲器進(jìn)行交流耦合。運(yùn)算放大器可提供電壓增益，射極跟隨器則充當(dāng)緩沖區(qū)，提供驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器所需的電流。將射極跟隨器放置在反饋回路內(nèi)有助于提高其整體性能。

放大器設(shè)計(jì)

駐極體麥克風(fēng)包括一個(gè)開漏FET前置放大器，需要在其輸出端和5 V電源之間連接一個(gè)阻值為680 Ω至2.2 kΩ的漏極電阻RD，如圖1所示。在此設(shè)計(jì)中，漏極電阻設(shè)置為2.2 kΩ，采用5.0 V電源時(shí)，漏極電壓約為4.5 V。

圖1 駐極體麥克風(fēng)輸出級(jí)

我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將標(biāo)稱400 mV p-p信號(hào)驅(qū)動(dòng)至8 Ω揚(yáng)聲器，隨后以地為基準(zhǔn)進(jìn)行交流耦合，需要約±25 mA的電流。該放大器設(shè)計(jì)采用5 V單電源供電。因此，運(yùn)算放大器直流電平偏置到2.5 V的中間電源電壓，并且輸入、輸出和反饋信號(hào)均會(huì)進(jìn)行交流耦合。通過對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行交流耦合，麥克風(fēng)輸出的直流電平就會(huì)與放大器輸入的直流電平不同。對(duì)于電路的運(yùn)算放大器部分，可使用ADALP2000套件中提供的OP484四通道運(yùn)算放大器，對(duì)于電路的射極跟隨器部分，則可以使用套件中包含的2N3904 NPN晶體管。

圖2 大器整體原理圖

材料

■   ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

■   無焊試驗(yàn)板

■   跳線

■   一個(gè)OP484軌到軌放大器

■   一個(gè)駐極體麥克風(fēng)

■   一個(gè)2N3904 NPN晶體管

■   一個(gè)8 Ω揚(yáng)聲器

■   一個(gè)47 Ω電阻

■   一個(gè)68 Ω電阻

■   一個(gè)100 Ω電阻

■   一個(gè)1 kΩ電阻

■   一個(gè)2.2 kΩ電阻

■   1個(gè)20 kΩ電阻

■   一個(gè)4.7 μF電容

■   一個(gè)47 μF電容

■   一個(gè)220 μF電容

硬件設(shè)置

在無焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖3所示的電路。

圖3 成駐極體麥克風(fēng)的音頻放大器原理圖(圖中C_BP的標(biāo)注47kΩ錯(cuò)了，應(yīng)該是47μF)

圖4 成駐極體麥克風(fēng)的音頻放大器試驗(yàn)板連接

若想檢查放大器的功能，可以從電路中拆下麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器，然后使用示波器工具進(jìn)行檢查。因此，試驗(yàn)板連接如圖5所示。

圖5 頻放大器示波器試驗(yàn)板連接

程序步驟

若要檢查放大器增益，請(qǐng)按照?qǐng)D5所示構(gòu)建設(shè)置。打開Scopy并將正電源設(shè)置為5 V。將信號(hào)發(fā)生器通道1設(shè)置為正弦波形，幅度峰峰值為50 mV，頻率為200 Hz，偏移為2.5 V。嘗試增加正弦波的幅度，直到觀察到削波。在示波器中，監(jiān)測(cè)通道1上的輸入信號(hào)和通道2上的放大器輸出信號(hào)。將垂直分辨率設(shè)置為100 mV/div，位置設(shè)置為–2.5 V，這樣就能在示波器窗口中看到信號(hào)，如圖6所示。

圖6 大器輸入和輸出波形

將駐極體麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器連接到電路中，如圖4所示。將揚(yáng)聲器直接移到麥克風(fēng)前面，直到出現(xiàn)聲音反饋。

問題：

1. 為什么正弦波的幅度增加時(shí)會(huì)發(fā)生削波？

2. 為什么揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)彼此靠近時(shí)會(huì)出現(xiàn)聲音反饋？

關(guān)于作者

Andreea Pop自2019年起擔(dān)任ADI公司的系統(tǒng)設(shè)計(jì)/架構(gòu)工程師。她畢業(yè)于克盧日-納波卡理工大學(xué)，獲電子與通信學(xué)士學(xué)位和集成電路與系統(tǒng)碩士學(xué)位。

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab?、QA自動(dòng)化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項(xiàng)目的理學(xué)碩士生。他擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。