駐極體話筒的前置放大電路設計

1、 本文由chongziyang405貢獻 doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 燕山大學 課 程 設 計 說 明 書 題目： 題目：駐極體話筒的前置放大電路設計 學院（ ：電氣工程學院 學院（系） 電氣工程學院 ： 年級專業(yè)： 年級專業(yè)： 學 號： 學生姓名： 學生姓名： 指導教師： 指導教師： 教師職稱： 教師職稱： 燕山大學課程設計（論文） 燕山大學課程設計（論文）任務書 院（系）:電氣工程學院 學 號 學生姓名 基層教學單位：儀器科學與工程系 專業(yè)（班級） 設計題目 駐極體話筒的前置放大電路設計 設 計 技 術 參 數(shù) 駐極體話筒是聲音感器

2、，其敏感頻率范圍在 202kHz，自選一款駐極體話筒傳 感器，設計其前置放大電路，使輸出電壓為 02.5V 對應圣印信號的聲強的范 圍。 設 計 要 求 1：完成題目的理論設計模型； 2：完成電路的 multisin 仿真； 工 作 量 1：完成一份設計說明書（其中包括理論設計的相關參數(shù)以及仿真結(jié)果）; 2：提交一份電路原理圖; 工 作 計 劃 第一周周一到周二，查閱資料； 第一周周三到周五，理論設計； 第二周周一到周三，計算機仿真； 第二周周四到周五，撰寫設計說明書并答辯； 參 考 資 料 1:基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計 2：模擬電子技術 3：電路理論 4：數(shù)字電子技術 基層教學

3、單位主任簽字 指導教師簽字 說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。 2010 年 6 月 18 日 燕山大學課程設計評審意見表 燕山大學課程設計評審意見表 指導教師評語： 成績： 指導教師： 年 月 日 答辯小組評語： 成績： 組長： 年 課程設計總成績： 答辯小組成員簽字： 月 日 年 月 日 燕 山 大 學 課 程 設 計 說 明 書 目 錄 第 1 章 摘要1 第 2 章 引言2 第 3 章 基本原理3 第 4 章 參數(shù)設計及運算5 4.1 傳聲器性能指標5 4.2 測量電路的設計 12 心得體會 12 參考文獻 13 共 13 頁 第 4頁 燕 山 大 學 課

4、程 設 計 說 明 書 第一章摘要 駐極體話筒是聲音傳感器，其敏感頻率范圍在 20-2kHz，通過 前置放大電路使輸入聲強信號對應輸出電壓約為 0-2.5V。 第二章 引言 駐極體話筒具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、電聲性能好、價格低的特 點，廣泛應用于多種場合，比如一般會議場合，語音通訊系統(tǒng)，如 電話機、攝像機、手機、復讀機等等。駐極體話筒是電容話筒的一 種。 電容話筒的基本原理就是用一個電容器作為聲信號電信號 的轉(zhuǎn)化器， 這個電容的一個極板可以感應聲壓的變化， 起到聲信號 攝入的作用。 通常這一極由金屬化的高分子膜片構(gòu)成， 與另一極構(gòu) 成一個極間距離可以改變的可變電容。 在有聲壓作用時， 膜片發(fā)生

5、振動，振動強度、振動頻率都由即時聲壓決定，電容容量也相應的 隨聲信號而發(fā)生變化。假如此時已經(jīng)給電容加上了一個恒定的電 壓， 那么電容容量的改變將使得電容上極化的電荷量發(fā)生改變， 從 而在電容兩端產(chǎn)生一個電信號， 達到聲電信號轉(zhuǎn)換。 實現(xiàn)阻抗匹 配后對信號進行電路放大。 共 13 頁 第 5頁 燕 山 大 學 課 程 設 計 說 明 書 第三章 基本原理 駐極體傳聲器內(nèi)部主要包括聲電轉(zhuǎn)換和阻抗變換兩部分。聲 電轉(zhuǎn)換部分包括振膜、極板、空隙三部分。聲電轉(zhuǎn)換的關鍵元件是 振動膜， 它是一片極薄的塑料膜片， 在其中一面蒸發(fā)上一層純金薄 膜，然后再經(jīng)過高壓電場駐極后，兩面分別駐有異性電荷，膜片的 蒸金面

6、向外， 與金屬外殼相連通。 膜片的另一面與金屬極板之間用 薄的絕緣襯圈隔離開， 這樣， 蒸金膜與金屬極板之間就形成一個電 容。當聲音傳入時，振膜隨聲波的運動發(fā)生振動，此時振膜與固定 電極間的電容量也隨聲音而發(fā)生變化。 從而產(chǎn)生了隨聲波變化而變 化的交變電壓信號， 如此就完成了聲音轉(zhuǎn)換為電信號的過程。 電壓 變化的大小， 反映了外界聲壓的強弱， 這種電壓變化頻率反映了外 界聲音的頻率。 駐極體傳聲器振膜與極板之間的電容量比較小， 一 般為幾十 pF。因而這個電信號輸出阻抗很高，而且很弱。因此， 不能將駐極體傳聲器的輸出直接與音頻放大器相接。 而場效應晶體 管具有輸入阻抗極高、噪聲系數(shù)低的特點，因

7、此，一般是在傳聲器 內(nèi)部接入一只輸入阻抗極高的結(jié)型場效應晶體三極管用來放大駐 極體電容產(chǎn)生的電壓信號， 同時以比較低的阻抗在源極 S 或者漏極 G 輸出信號，實現(xiàn)阻抗變換。 共 13 頁 第 6頁 燕 山 大 學 課 程 設 計 說 明 書 圖 3-1 阻抗轉(zhuǎn)換器 前置放大器一方面是對電容傳聲頭輸出的信號進行預放大， 另一方面是方面主要是將電容頭的高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出。 小型前置放大器的電路主要包括兩部分， 其中一部分是場效應管組 成的阻抗變換電路，另一部分就是放大電路。 第四章 參數(shù)設計及結(jié)構(gòu)運算 4.1 傳聲器性能指標 4.1.1 動態(tài)測量范圍 駐極體傳聲器動態(tài)測量范圍與其結(jié)構(gòu)尺寸有

8、關。小尺寸規(guī)格( 1 /8 英寸、1 /4 英寸)的動態(tài)范圍高于較大尺寸規(guī)格(1 /2 英寸、1 英 寸)的 1 ,如 4133 型、 4165 型、 WS2P /F /D 型、 HY205 型和 HY207 型等,其標稱直徑為 12. 7mm 2 ,標稱動態(tài)范圍一般為 15160dB; 而 4135 型、WS3P /F /D 型、HY245 型的標稱直徑為 6. 35 ±0. 共 13 頁 第 7頁 燕 山 大 學 課 程 設 計 說 明 書 05mm 2 或 6. 3mm,標稱動態(tài)范圍為 50165dB,實際能夠達到 171dB。 4.1.2 幅值線性度 通常情況下,動態(tài)測量范圍

9、聲壓級較低時,傳感器幅值線性度較好, 而動態(tài)測量范圍聲壓級較高時,傳感器幅值線性度較差。 這是因為, 在用傳感器測量聲壓時,兩個圓形極板組成的電容器中的一個發(fā)生 了振動的鎳膜將會變形。根據(jù)平行平板電容器公式 3 C = 0 r s / d 平行平板電容器的電容與導體板的面積成正比,與兩極板的距離成 反比。 當變形較小時,鎳膜仍然可以近似看作平面極板,輸入輸出關 系近似線性;當變形越來越大時(聲壓級越來越高) ,兩極板之間距 離變小,而且變得不均勻,鎳膜的面積因變形而變大,使得電容 C 呈 非線性變化。 4.1.3 頻率響應平坦度 傳聲器和阻抗匹配器對傳感器的頻率響應平坦度都有影響。 當二者 的

10、頻率響應平坦度都很小時,傳感器的頻率響應平坦度才會小。上 述 HY205、HY207 和 HY245 型傳聲器都有較好的頻率響應特性,在 20Hz8kHz 范圍內(nèi)標稱平坦度不大于±2dB。,阻抗匹配器是影響 傳感器頻率響應平坦度的主要因素。 共 13 頁 第 8頁 燕 山 大 學 課 程 設 計 說 明 書 提高駐極體噪聲傳感器動態(tài)測量范圍和性能指標的技術措施下面 從敏感元件、阻抗匹配和結(jié)構(gòu)優(yōu)化三方面來提高傳感器的性能 4.1.4 敏感元件 在選用敏感元件時,選用 HY245 型(1 /4 英寸)駐極體傳聲器,其優(yōu) 點是動態(tài)測量范圍寬、幅值線性度和自由場頻率響應平坦度好。 4.1.5

11、 阻抗匹配 圖 4-1 阻抗匹配 將傳聲器的電容器兩個電極(圖 1 中略)接在專用場效應管的柵源 極之間,電容兩端電壓即為柵源極偏置電壓 UGS。 UGS 變化時,引 當 起場效應管的源漏極之間 ID 的電流變化,從而實現(xiàn)阻抗變換和電 壓放大。它是將場效應管接成源極輸出電路,只需兩根引出線。 共 13 頁 第 9頁 燕 山 大 學 課 程 設 計 說 明 書 4.2 測量電路設計 4.2.1 放大電路 VCC 12V VCC 7 1 5 U1 6 4 3 2 3 C1 1uF 0 R1 796k|? 741 VEE VEE -12V 2 1 4 10pF R2 7.96M|? C2 圖 4-2

12、 前置放大電路 根據(jù)理想運放具有虛短虛斷的特點，可得到電路的傳遞函數(shù)為 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) 從式(1)可以看出，當 w 0 或 w 時電路的傳遞函數(shù) A 1 。 共 13 頁 第 10 頁 燕 山 大 學 課 程 設 計 說 明 書 4.2.2 中頻段通帶增益的估算 在 語 音 的 信 號 頻 段 ， 選 擇 合 適 的 R2 , C2 值 ， 使 R2C2 0

13、 ， 則 1 + jwR2C2 1 ， 1 + jwR1C1 jwR1C1 代入 若 （1） 傳遞函數(shù)中可得 A = 1 + R2 R2 。 R1 R1 R2 R1 取 R2 = 100 R1 則 A = 1 + 4.2.3 上限截止頻率的估算 當信號頻率較高時，即 w 較大時 R2 ? R1 則（1）式可變?yōu)?A = 1+ jwC1 R2 R 1 2 1 ? w R2C2 R1C1 + jw( R2C2 + R1C1 ) R1 1 + jwR2C2 2 從上式可以看出， w = 1/ ( R2C2 ) ，即 f = 1 / (2 R2C2 ) 是電路對應的上限 截止頻率。 4.2.4 下限截

14、止頻率的估算 當信號頻率較低時，即 w 較小時 R2 ? R1 則（1）式可變?yōu)?jwC1 R2 jwC1 R2 1 ? w R2C2 R1C1 + jw( R2C2 + R1C1 ) 1 + jwR1C1 1 ? 2 A = 1+ R2 R1 j wC1 R1 從上式可以看出， w = 1 / ( R1C1 ) 即 f = 1 / (2 R1C1 ) 是電路對應的下限截 止頻率。 4.2.5 前置放大電路的仿真結(jié)果 共 13 頁 第 11 頁 燕 山 大 學 課 程 設 計 說 明 書 2.5V 2.0V 1.5V 1.0V 10Hz 30Hz V(U1A:OUT) 100Hz 300Hz 1.0KHz Frequency 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz 圖 4-3 頻率特性 心得體會 通過本次的課程設計使我了解到了一些簡單電路的構(gòu)成， 使所學與 所用結(jié)合到一起，了