实用麦克风话筒音频放大器电路设计和电路图

news2024/11/23 14:49:30

设计目标

输入电压最大值	输出电压最大值	电源Vcc	电源Vee	频率响应偏差@20Hz	频率响应偏差@20kHz
100dB SPL(2Pa)	1.228Vrms	5V	0V	–0.5dB	–0.1dB

此电路使用跨阻抗放大器配置中的运算放大器将驻极体炭精盒麦克风的输出电流转换为输出电压。此电路的共模电压是固定的，设置为中位电压，可消除任何输入级交叉失真。

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实用麦克风话筒音频放大器电路图（上图运放为LM321，仿真运放为TLV6741）

说明

在线性输出运行范围内使用运算放大器，通常在 AOL 测试条件下指定该范围。
使用膝点电压低的电容器（钽、C0G，等等）和薄膜电阻器来帮助降低失真度。
使用电池为此电路供电，以消除因切换电源而导致的失真。
使用低电阻值电阻器和低噪声运算放大器实现高性能低噪声的设计。
为了偏置麦克风而连接到 R1 的电压不必与运算放大器的电源电压一致。使用高麦克风偏置电压将允许 R1使用较高的值，这会降低运算放大器电路的噪声增益，同时仍使麦克风保持正常运行。
电容器 C1 应该足够大，以它的阻抗远远小于音频频率下的电阻器 R1。使用钽电容器时请注意信号极性。

以下面的麦克风为例来设计此电路。

将灵敏度转换为每帕斯卡的电压。
$10^{ \frac{-35dB}{20}} = 17 .78 mV / Pa$
将每帕斯卡的电压转换为每帕斯卡的电流。
$\frac{17.78mV/Pa}{ 2.2kΩ} = 8.083μA / Pa$
声压达到 2Pa 这一最高级别时会出现最大输出电流。
$I_{Max} = 2Pa \times 8 .083 μA / Pa = 16 .166 μA$
计算电阻器 R4 的值以设置增益
计算偏置电阻器 R1 的值。在以下公式中，Vmic 是麦克风的标准工作电压
根据 20kHz 时的允许偏差计算高频极点。在以下公式中，G_pole1 是频率为“f”时的增益。
根据步骤 6 中计算的极点频率计算 C3。
根据 20Hz 时的允许偏差计算低频转角频率。在以下公式中，G_pole2 是由所有频率为“f”的极点分别生成的增益。一共有两个极点，所以应除以 2。
根据步骤 8 中计算的截止频率计算输入电容器 C1。
假设输出负载 R5 为 10kΩ，请根据步骤 8 中计算的截止频率计算输出电容器 C4。
将放大器的输入共模电压设置为中位电压。选择 100kΩ 作为 R2 和 R3 的值。等效电阻等于两个电阻器的并联组合：
$R e q = R 2 并联 R 3 = 100K 并联 100 k = 50K Q$
计算电容器 C2 以过滤电源和电阻器噪声。将截止频率设置为 1Hz。

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麦克风话筒音频放大器交流仿真结果

输入电压表示麦克风的输入信号的 SPL。2 Vrms 输入信号表示 2 帕斯卡。
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麦克风话筒音频放大器瞬态仿真结果

以下仿真结果显示 22kHz 时的噪声为 22.39µVrms。测量带宽为 22kHz 时的噪声，以表示使用带宽设置为22kHz 的音频分析仪测量出的噪声。
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麦克风话筒音频放大器噪声仿真结果 22.05uVrms @ 22kHz 横坐标为频率Frequency (Hz)