驻极体话筒的前置放大电路设计

【柯哀王道】左右两边的世界-作者：忧冷繁星

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课 程 设 计 说 明 书

题目： 题目：驻极体话筒的前置放大电路设计

学院（ ：电气工程学院 学院（系） 电气工程学院 ： 年级专业： 年级专业： 学 号： 学生姓名： 学生姓名： 指导教师： 指导教师： 教师职称： 教师职称：

燕山大学课程设计（论文） 燕山大学课程设计（论文）任务书

院（系）:电气工程学院 学 号 学生姓名 基层教学单位：仪器科学与工程系 专业（班级）

设计题目 驻极体话筒的前置放大电路设计 设 计 技 术 参 数 驻极体话筒是声音感器，其敏感频率范围在 20—2kHz，自选一款驻极体话筒传 感器，设计其前置放大电路，使输出电压为 0—2.5V 对应圣印信号的声强的范 围。

设 计 要 求

1：完成题目的理论设计模型； 2：完成电路的 multisin 仿真；

工 作 量

1：完成一份设计说明书（其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果）; 2：提交一份电路原理图;

工 作 计 划

第一周周一到周二，查阅资料； 第一周周三到周五，理论设计； 第二周周一到周三，计算机仿真； 第二周周四到周五，撰写设计说明书并答辩；

参 考 资 料

1:基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计 2：模拟电子技术 3：电路理论 4：数字电子技术 基层教学单位主任签字

指导教师签字

说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。 2010 年 6 月 18 日

燕山大学课程设计评审意见表 燕山大学课程设计评审意见表

指导教师评语：

成绩： 指导教师： 年 月 日

答辩小组评语：

成绩： 组长： 年 课程设计总成绩： 答辩小组成员签字： 月 日

年

月

日

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目

录

第 1 章 摘要…………………………………………………………………………………1 第 2 章 引言…………………………………………………………………………………2 第 3 章 基本原理……………………………………………………………………………3 第 4 章 参数设计及运算……………………………………………………………………5 4.1 传声器性能指标……………………………………………………………………5 4.2 测量电路的设计 …………………………………………………………………12 心得体

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会 ……………………………………………………………………………………12 参考文献 ……………………………………………………………………………………13

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第一章摘要 驻极体话筒是声音传感器，其敏感频率范围在 20-2kHz，通过 前置放大电路使输入声强信号对应输出电压约为 0-2.5V。 第二章 引言 驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特 点，广泛应用于多种场合，比如一般会议场合，语音通讯系统，如 电话机、摄像机、手机、复读机等等。驻极体话筒是电容话筒的一 种。 电容话筒的基本原理就是用一个电容器作为声信号——电信号 的转化器， 这个电容的一个极板可以感应声压的变化， 起到声信号 摄入的作用。 通常这一极由金属化的高分子膜片构成， 与另一极构 成一个极间距离可以改变的可变电容。 在有声压作用时， 膜片发生 振动，振动强度、振动频率都由即时声压决定，电容容量也相应的 随声信号而发生变化。假如此时已经给电容加上了一个恒定的电 压， 那么电容容量的改变将使得电容上极化的电荷量发生改变， 从 而在电容两端产生一个电信号， 达到声—电信号转换。 实现阻抗匹 配后对信号进行电路放大。

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第三章 基本原理 驻极体传声器内部主要包括声电转换和阻抗变换两部分。声 电转换部分包括振膜、极板、空隙三部分。声电转换的关键元件是 振动膜， 它是一片极薄的塑料膜片， 在其中一面蒸发上一层纯金薄 膜，然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷，膜片的 蒸金面向外， 与金属外壳相连通。 膜片的另一面与金属极板之间用 薄的绝缘衬圈隔离开， 这样， 蒸金膜与金属极板之间就形成一个电 容。当声音传入时，振膜随声波的运动发生振动，此时振膜与固定 电极间的电容量也随声音而发生变化。 从而产生了随声波变化而变 化的交变电压信号， 如此就完成了声音转换为电信号的过程。 电压 变化的大小， 反映了外界声压的强弱， 这种电压变化频率反映了外 界声音的频率。 驻极体传声器振膜与极板之间的电容量比较小， 一 般为几十 pF。因而这个电信号输出阻抗很高，而且很弱。因此， 不能将驻极体传声器的输出直接与音频放大器相接。 而场效应晶体 管具有输入阻抗极高、噪声系数低的特点，因此，一般是在传声器 内部接入一只输入阻抗极高的结型场效应晶体三极管用来放大驻 极体电容产生的电压信号， 同时以比较低的阻抗在源极 S 或者漏极 G 输出信号，实现阻抗变换。

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图 3-1 阻抗转换器 前置放大器一方面是对电容传声头输出的信号进行预放大， 另一方面是方面主要是将电容头的高输出阻抗转换为低阻抗输出。 小型前置放大器的电路主要包括两部分， 其中一部分是场效应管组 成的阻抗变换电路，另一部分就是放大电路。 第四章 参数设计及结构运算 4.1 传声器性能指标 4.1.1 动态测量范围 驻极体传声器动态测量范围与其结构尺寸有关。小尺寸规格( 1 /8 英寸、1 /4 英寸)的动态范围高于较大尺寸规格(1 /2 英寸、1 英 寸)的[ 1 ] ,如 4133 型、 4165 型、 WS2P /F /D 型、 HY205 型和 HY207 型

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等,其标称直径为 12. 7mm [ 2 ] ,标称动态范围一般为 15～160dB; 而 4135 型、WS3P /F /D 型、HY245 型的标称直径为 6. 35 ±0.

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05mm[ 2 ]或 6. 3mm,标称动态范围为 50～165dB,实际能够达到 171dB。 4.1.2 幅值线性度 通常情况下,动态测量范围声压级较低时,传感器幅值线性度较好, 而动态测量范围声压级较高时,传感器幅值线性度较差。 这是因为, 在用传感器测量声压时,两个圆形极板组成的电容器中的一个发生 了振动的镍膜将会变形。根据平行平板电容器公式[ 3 ]

C = ε 0ε r s / d

平行平板电容器的电容与导体板的面积成正比,与两极板的距离成 反比。 当变形较小时,镍膜仍然可以近似看作平面极板,输入输出关 系近似线性;当变形越来越大时(声压级越来越高) ,两极板之间距 离变小,而且变得不均匀,镍膜的面积因变形而变大,使得电容 C 呈 非线性变化。 4.1.3 频率响应平坦度 传声器和阻抗匹配器对传感器的频率响应平坦度都有影响。 当二者 的频率响应平坦度都很小时,传感器的频率响应平坦度才会小。上 述 HY205、HY207 和 HY245 型传声器都有较好的频率响应特性,在 20Hz～8kHz 范围内标称平坦度不大于±2dB。,阻抗匹配器是影响 传感器频率响应平坦度的主要因素。

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提高驻极体噪声传感器动态测量范围和性能指标的技术措施下面 从敏感元件、阻抗匹配和结构优化三方面来提高传感器的性能 4.1.4 敏感元件 在选用敏感元件时,选用 HY245 型(1 /4 英寸)驻极体传声器,其优 点是动态测量范围宽、幅值线性度和自由场频率响应平坦度好。 4.1.5 阻抗匹配

图 4-1 阻抗匹配 将传声器的电容器两个电极(图 1 中略)接在专用场效应管的栅源 极之间,电容两端电压即为栅源极偏置电压 UGS。 UGS 变化时,引 当 起场效应管的源漏极之间 ID 的电流变化,从而实现阻抗变换和电 压放大。它是将场效应管接成源极输出电路,只需两根引出线。

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4.2 测量电路设计 4.2.1 放大电路

VCC 12V VCC

7 1 5

U1

6

4

3

2

3 C1 1uF 0

R1 796k|?

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741 VEE VEE -12V 2 1

4

10pF R2 7.96M|?

C2

图 4-2 前置放大电路 根据理想运放具有虚短虚断的特点，可得到电路的传递函数为 R2 1 + jwR2C2 A = 1+ 1 R1 + jwC1 = 1+ = 1+ jwC1 R2 (1 + jwR2C2 )(1 + jwR1C1 ) jwC1 R2 1 ? w R2C2 R1C1 + jw( R2C2 + R1C1 )

2

(1)

从式(1)可以看出，当 w → 0 或 w → ∞ 时电路的传递函数 A → 1 。

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4.2.2 中频段通带增益的估算 在 语 音 的 信 号 频 段 ， 选 择 合 适 的 R2 , C2 值 ， 使 R2C2 ≈ 0 ， 则

1 + jwR2C2 ≈ 1 ， 1 + jwR1C1 ≈ jwR1C1 代入 若 （1） 传递函数中可得 A = 1 + R2 R2 ≈ 。 R1 R1 R2 R1

取 R2 = 100 R1 则 A = 1 +

4.2.3 上限截止频率的估算 当信号频率较高时，即 w 较大时 R2 ? R1 则（1）式可变为

A = 1+ jwC1 R2 R 1 ≈ 2 1 ? w R2C2 R1C1 + jw( R2C2 + R1C1 ) R1 1 + jwR2C2 2

从上式可以看出， w = 1/ ( R2C2 ) ，即 f = 1 / (2π R2C2 ) 是电路对应的上限 截止频率。 4.2.4 下限截止频率的估算 当信号频率较低时，即 w 较小时 R2 ? R1 则（1）式可变为

jwC1 R2 jwC1 R2 ≈ ≈ 1 ? w R2C2 R1C1 + jw( R2C2 + R1C1 ) 1 + jwR1C1 1 ? 2

A = 1+

R2 R1 j wC1 R1

从上式可以看出， w = 1 / ( R1C1 ) 即 f = 1 / (2π R1C1 ) 是电路对应的下限截 止频率。 4.2.5 前置放大电路的仿真结果

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2.5V

2.0V

1.5V

1.0V 10Hz 30Hz V(U1A:OUT)

100Hz

300Hz

1.0KHz Frequency

3.0KHz

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cz4m.html