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作者：Andreea Pop，系統(tǒng)設(shè)計(jì)/架構(gòu)工程師；Antoniu Miclaus，系統(tǒng)應(yīng)用工程師
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)動小型揚(yáng)聲器。
背景知識
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，我們設(shè)計(jì)構(gòu)建了一個交流耦合的同相運(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，漏極電壓約為4.5 V。
圖1.駐極體麥克風(fēng)輸出級。
我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將標(biāo)稱400 mV p-p信號驅(qū)動至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、輸出和反饋信號均會進(jìn)行交流耦合。通過對輸入信號進(jìn)行交流耦合，麥克風(fēng)輸出的直流電平就會與放大器輸入的直流電平不同。對于電路的運(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.放大器整體原理圖。
材料
- ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊
- 無焊試驗(yàn)板
- 跳線
- 一個OP484軌到軌放大器
- 一個駐極體麥克風(fēng)
- 一個2N3904 NPN晶體管
- 一個8 Ω揚(yáng)聲器
- 一個47 Ω電阻
- 一個68 Ω電阻
- 一個100 Ω電阻
- 一個1 kΩ電阻
- 一個2.2 kΩ電阻
- 1個20 kΩ電阻
- 一個4.7 μF電容
- 一個47 μF電容
- 一個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。
圖中CBP的標(biāo)注47kΩ錯了，應(yīng)該是47μF
圖3.集成駐極體麥克風(fēng)的音頻放大器原理圖。
圖4.集成駐極體麥克風(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.音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，請按照圖5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)測通道1上的輸入信號和通道2上的放大器輸出信號。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，如圖6所示。
圖6.放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會發(fā)生削波？
2. 為什么揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)彼此靠近時會出現(xiàn)聲音反饋？ 您可以在學(xué)子專區(qū)論壇上找到問題答案。
下載ECAD模型
