學子專區—ADALM2000實驗:集成駐極體麥克風的音頻放大器

目標

本次實驗旨在設計和構建一款音頻放大器，該放大器從駐極體麥克風獲取小輸出電壓并將其放大，以便驅動小型揚聲器。

背景知識

駐極體麥克風是一種電容式麥克風，其電容器極板上始終存在一定量的電荷，因而無需傳統電容式麥克風中用于偏置電容器的外部幻象電源。然而，大多數商用駐極體麥克風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計簡單的音頻放大器，無論是否有負反饋。不過，負反饋能夠非常有效地改善失真性能。在本實驗中，我們設計構建了一個交流耦合的同相運算放大器，期望電壓增益為10，輸出端有一個環內射極跟隨器，并且與揚聲器進行交流耦合。運算放大器可提供電壓增益，射極跟隨器則充當緩沖區，提供驅動揚聲器所需的電流。將射極跟隨器放置在反饋回路內有助于提高其整體性能。

放大器設計

駐極體麥克風包括一個開漏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。在此設計中，漏極電阻設置為2.2 kΩ，采用5.0 V電源時，漏極電壓約為4.5 V。

圖1 駐極體麥克風輸出級

我們的設計目標是將標稱400 mV p-p信號驅動至8 Ω揚聲器，隨后以地為基準進行交流耦合，需要約±25 mA的電流。該放大器設計采用5 V單電源供電。因此，運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行交流耦合。通過對輸入信號進行交流耦合，麥克風輸出的直流電平就會與放大器輸入的直流電平不同。對于電路的運算放大器部分，可使用ADALP2000套件中提供的OP484四通道運算放大器，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 大器整體原理圖

材料

■   ADALM2000主動學習模塊

■   無焊試驗板

■   跳線

■   一個OP484軌到軌放大器

■   一個駐極體麥克風

■   一個2N3904 NPN晶體管

■   一個8 Ω揚聲器

■   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

硬件設置

在無焊試驗板上構建圖3所示的電路。

圖3 成駐極體麥克風的音頻放大器原理圖(圖中C_BP的標注47kΩ錯了，應該是47μF)

圖4 成駐極體麥克風的音頻放大器試驗板連接

若想檢查放大器的功能，可以從電路中拆下麥克風和揚聲器，然后使用示波器工具進行檢查。因此，試驗板連接如圖5所示。

圖5 頻放大器示波器試驗板連接

程序步驟

若要檢查放大器增益，請按照圖5所示構建設置。打開Scopy并將正電源設置為5 V。將信號發生器通道1設置為正弦波形，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。將垂直分辨率設置為100 mV/div，位置設置為–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 大器輸入和輸出波形

將駐極體麥克風和揚聲器連接到電路中，如圖4所示。將揚聲器直接移到麥克風前面，直到出現聲音反饋。

問題：

1. 為什么正弦波的幅度增加時會發生削波？

2. 為什么揚聲器和麥克風彼此靠近時會出現聲音反饋？

關于作者

Andreea Pop自2019年起擔任ADI公司的系統設計/架構工程師。她畢業于克盧日-納波卡理工大學，獲電子與通信學士學位和集成電路與系統碩士學位。

Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學項目工作，同時為Circuits from the Lab?、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學軟件工程碩士項目的理學碩士生。他擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。