驻极体MIC前置放大电路设计

燕山大学课程设计说明书共13页第1页目录第一章摘要......................................................................................................2第二章引言.....................................................................................................2第三章基本原理.............................................................................................23.1驻极体话筒原理概述....................................................................................23.2前置放大电路的原理概述............................................................................4第四章参数设计及运算..................................................................................44.1结构设计.........................................................................................................44.2测量电路的设计与参数计算........................................................................44.2.1放大电路的简化模型..............................................................................44.2.2中频段通带增益的估算...........................................................................64.2.4下限截止频率的估算..............................................................................74.2.5具体参数设计..........................................................................................84.3仿真结果........................................................................................................9第五章误差分析...........................................................................................105.1理论计算中的误差分析..............................................................................115.2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燕山大学课程设计说明书共13页第2页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，它是一片极燕山大学课程设计说明书共13页第3页薄的塑料膜片，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。ACVDDRDRSCGVGVOUT2VOUT1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不会受燕山大学课程设计说明书共13页第4页到电源噪声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驻极体话筒传感器驻极体话筒前置放大电路驻极体话筒的输出与显示燕山大学课程设计说明书共13页第5页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／(jω)＝／／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。燕山大学课程设计说明书共13页第6页VCCC2R2R1C1R3R4C3NE5532+-U0UOUT1图4.2.1驻极体话筒前置放大电路4.2.2中频段通带增益的估算在语音信号的频段(20Hz～20kHz)内，选择合适的、值，使≈O，则1+≈1，若1+jω≈jω则带入式4.2.1传递函数中，可得Au≈1+／。若取=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=时，式4.2.1可变为：AU=1+燕山大学课程设计说明书共13页第7页=4.2.3从上式可以看出，)，即)是电路对应的上限截止频率。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=时，则1+jωR2C2≈1，式4.2.1可变为：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。燕山大学课程设计说明书共13页第8页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_ㆶ_ㆸ_ㆸ_㇄_㇆_㇊_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／(2π)=2kHzf=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。燕山大学课程设计说明书共13页第9页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：U1ANE5532AI32481R110kΩR2100kΩC1820nFC2820pFC3750nFR410kΩR310kΩ4052VCC15VVCCXSC1ABExtTrig++__+_70V10.25Vrms1000Hz0°10VEE-15V图6.1Multisim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：燕山大学课程设计说明书共13页第10页图6.2multisim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。燕山大学课程设计说明书共13页第11页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/√H