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ADALM2000實(shí)驗(yàn):集成駐極體麥克風(fēng)的音頻放大器

2023/12/06
1619
閱讀需 5 分鐘
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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。

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亞德諾半導(dǎo)體全稱為亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司(analog devices,inc.)簡稱ADI。是一家專營半導(dǎo)體傳感器和信號處理ic的卓越的供應(yīng)商,ADI將創(chuàng)新、業(yè)績和卓越作為企業(yè)的文化支柱,并基此成長為該技術(shù)領(lǐng)域最持久高速增長的企業(yè)之一。ADI是業(yè)界卓越的半導(dǎo)體公司,在模擬信號、混合信號和數(shù)字信號處理的設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域都發(fā)揮著十分重要的作用。

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