設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)說明

此電路使用同相放大器電路配置來放大麥克風(fēng)輸出信號(hào)。此電路的幅度穩(wěn)定性非常好，在整個(gè)音頻范圍內(nèi)僅具有微小的頻率響應(yīng)偏差。此電路旨在使用 5V 單電源來運(yùn)行。

設(shè)計(jì)說明

1. 在運(yùn)算放大器線性輸出運(yùn)行范圍內(nèi)運(yùn)行，通常在 A_OL 測(cè)試條件下指定該范圍。
2. 使用膝點(diǎn)電壓低的電容器（鉭、C0G，等等）和薄膜電阻器來幫助降低失真度。
3. 使用電池為此電路供電，以消除因切換電源而導(dǎo)致的失真。
4. 使用低電阻值電阻器和低噪聲運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)低噪聲的設(shè)計(jì)。
5. 共模電壓等于使用電阻分壓器設(shè)置的直流偏置電壓加上麥克風(fēng)輸出電壓導(dǎo)致產(chǎn)生的全部差異。對(duì)于具有互補(bǔ)對(duì)輸入級(jí)的運(yùn)算放大器，建議使共模電壓保持遠(yuǎn)離交叉區(qū)域，以消除交叉失真的可能性。
6. 電阻器 R₁ 用于偏置麥克風(fēng)內(nèi)置 JFET 晶體管，以實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)指定的偏置電流。
7. 等效輸入電阻由 R₁、R₂、R₃ 確定。為 R₂ 和 R₃ 使用高電阻值電阻器，以增大輸入電阻。
8. 為了偏置麥克風(fēng)而連接到 R₁ 的電壓不必與運(yùn)算放大器的電源電壓相同。通過為實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)偏置而使用電壓較高的電源，將可以使用較低的偏置電阻器值。

設(shè)計(jì)步驟

此設(shè)計(jì)規(guī)程使用下表中提供的麥克風(fēng)規(guī)格。

1. 將靈敏度轉(zhuǎn)換為每帕斯卡的電壓。
   ${\text{ 10}}^{\frac{-\text{35dB}}{\text{20}}}=\text{17.78}\frac{\text{mV}}{\text{Pa}}$
2. 將每帕斯卡的電壓轉(zhuǎn)換為每帕斯卡的電流。
   $\frac{\text{17.78}{\displaystyle \frac{\text{mV}}{\text{Pa}}}}{\text{2.2k?}}=\text{8.083}\frac{\text{μA}}{\text{Pa}}$
3. 壓力達(dá)到 2Pa 這一最大值時(shí)會(huì)出現(xiàn)最大輸出電流。
   ${\text{I}}_{\text{Max}}=\text{2Pa × 8.083}\frac{\text{μA}}{\text{Pa}}=\text{16.166μA }$
4. 計(jì)算偏置電阻器。在以下公式中，Vmic 是麥克風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)工作電壓。
   ${\text{R}}_1=\frac{{\text{V}}_{\mathrm{cc}}-{\text{V}}_{\mathrm{mic}}}{{\text{I}}_{\mathrm{s}}}=\frac{\text{5V-2V}}{\text{0.5mA}}\text{=6k?≈5.9k? (Standard Value)}$
5. 將放大器的輸入共模電壓設(shè)置為中位電壓。與 R₃ 并聯(lián)的 R₂ 的等效電阻應(yīng)該比 R1 大 10 倍，以麥克風(fēng)電流的絕大部分流經(jīng) R₁。
   $$\begin{gathered} {\text{R}}_{\mathrm{eq}}=\text{R2||R3}\mathrm{ }\text{>10 × R1}=\text{100k?} \\ {\text{Choose R}}_{\text{2}}={\text{R}}_{\text{3}}=\text{200k?} \end{gathered}$$
6. 計(jì)算最大輸入電壓。
   $$\begin{gathered} {\text{R}}_{\text{in}}={\text{R1||R}}_{\text{eq}}=\text{5.9k?}|\text{|100k?}=\text{5.571k?} \\ {\text{V}}_{\text{in}}={\text{I}}_{\text{max}}{\text{ × R}}_{\text{in}}=\text{16.166uA × 5.571k?}=\text{90.067mV} \end{gathered}$$
7. 計(jì)算生成最大輸出電壓擺幅所需的增益。
   $\text{Gain}=\frac{{\text{V}}_{\text{outmax}}}{{\text{V}}_{\text{in}}}=\frac{\text{1.228V}}{\text{90.067mV}}=\text{13.634}\frac{\text{V}}{\text{V}}$
8. 計(jì)算 R₄ 以設(shè)置7 中計(jì)算的增益。選擇 10kΩ 作為反饋電阻器 R₅ 的值。
   $$\begin{gathered} {\text{R}}_4=\frac{{\text{R}}_5}{\text{Gain-1}}=\frac{\text{10k?}}{\text{13.634-1}}=\text{791?}\approx \text{787? (Standard Values)} \\ \text{The final gain of this circuit is:} \\ \text{Gain}=\text{20log}\left(\frac{\text{Vout}}{\text{Vin}}\right)=\text{20log}\left(\frac{\text{16.166uA} \times \text{ 5.571k?} \times \left(\text{1+}\frac{\text{10k?}}{\text{787?}}\right)}{\text{2V}}\right) = \text{-4.191dB} \end{gathered}$$
9. 根據(jù) 20Hz 時(shí)的允許偏差計(jì)算低頻轉(zhuǎn)角頻率。在以下公式中，G_pole1 是由頻率為“f”時(shí)的每個(gè)極點(diǎn)生成的增益。請(qǐng)注意，您應(yīng)該除以 3，因?yàn)檫@里有三個(gè)極點(diǎn)。
   ${\text{f}}_{\mathrm{c}}=\text{f}\sqrt{{\left(\frac{1}{\text{G\_pole1}}\right)}^2-\text{1}}=\text{20Hz}\sqrt{{\left(\frac{\text{1}}{{\text{10}}^{\frac{\text{-0.5/3}}{\text{20}}}}\right)}^{\text{2}}-\text{1}}=\text{3.956Hz}$
10. 根據(jù)9 中計(jì)算的截止頻率計(jì)算 C₁。
    ${\text{C}}_1\text{=}\frac{\text{1}}{{\text{2π×Req×f}}_{\mathrm{c}}}=\frac{\text{1}}{\text{2π×100k?×3.956Hz}}=\text{0.402μF≈0.33μF (Standard Value)?}$
11. 根據(jù)9 中計(jì)算的截止頻率計(jì)算 C₂。
    ${\text{C}}_{\text{2}}=\frac{\text{1}}{{\text{2π×R4×f}}_{\mathrm{c}}}=\frac{\text{1}}{\text{2π×787?×3.956Hz}}=\text{51.121μF≈47μF (Standard Value)}$
12. 根據(jù) 20kHz 時(shí)的允許偏差計(jì)算高頻極點(diǎn)。在以下公式中，G_pole2 是由所有頻率為“f”的極點(diǎn)生成的增益。
    ${\text{f}}_{\mathrm{p}}=\frac{\text{f}}{\sqrt{{\left(\frac{\text{1}}{\text{G\_pole2}}\right)}^2-1}}=\frac{\text{20kHz}}{\sqrt{{\left(\frac{1}{{\text{10}}^{\frac{-\text{0.1}}{20}}}\right)}^2-1}}=\text{131.044kHz}$
13. 計(jì)算 C3 以設(shè)置12 中計(jì)算的截止頻率。
    ${\text{C}}_{\text{3}}\text{=}\frac{\text{1}}{{\text{2π×R}}_{\text{5}}{\text{×f}}_{\mathrm{p}}}\text{=}\frac{\text{1}}{\text{2π×10k?×131.044kHz}}\text{=121.451pF≈120pF (Standard Value)}$
14. 根據(jù)9 中計(jì)算的截止頻率計(jì)算輸出電容器 C₄。假設(shè)輸出負(fù)載 R₆ 為 10kΩ。
    ${\text{C}}_4=\frac{1}{{\text{2π×R}}_6\text{×}{\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}}=\frac{\text{1}}{\text{2π10k?×3.956Hz}}=\text{4.023μF≈3.3μF (Standard Value)}$

設(shè)計(jì)仿真

交流仿真結(jié)果

瞬態(tài)仿真結(jié)果

輸入電壓表示麥克風(fēng)的輸入信號(hào)的 SPL。1V_rms 輸入信號(hào)表示 1Pa。

噪聲仿真結(jié)果

以下仿真結(jié)果顯示 22kHz 時(shí)的噪聲為 22.39uVrms。測(cè)量帶寬為 22kHz 時(shí)的噪聲，以表示使用帶寬設(shè)置為 22kHz 的音頻分析儀測(cè)量出的噪聲。

參考資料：

德州儀器 (TI)，同相麥克風(fēng)放大器電路仿真，SBOC525 SPICE 仿真文件

TI 高精度設(shè)計(jì)，單電源駐極體麥克風(fēng)前置放大器，TIPD181 參考設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)特色運(yùn)算放大器

設(shè)計(jì)備選運(yùn)算放大器