駐極體傳聲器小型前置放大器的設計

0 引言
    隨著我國通訊事業(yè)的迅猛發(fā)展，對駐極體傳聲器的需求也越來越大。目前，一些小型的駐極體傳聲器雖然可以將場效應管集成于傳聲器內部，但由于高端產品的售價高昂，低端產品傳聲器的精度和靈敏度又無法保證，再加上傳統(tǒng)的前置放大器體積又過于龐大。因此，設計一種體積盡可能小，成本低廉而性能優(yōu)良的前置放大器具有十分重要的意義。

1 駐極體傳聲器的原理概述
    傳聲器是一種將聲信號轉變?yōu)橄鄳碾娦盘柕碾娐晸Q能器。駐極體傳聲器是一種用駐極體材料制造的新型傳聲器。它具有結構簡單、靈敏度高等優(yōu)點，被廣泛應用于語言拾音、聲信號檢測等方面。
    駐極體傳聲器內部主要包括聲電轉換和阻抗變換兩部分。聲電轉換部分包括振膜、極板、空隙三部分。聲電轉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，然后再經過高壓電場駐極后，兩面分別駐有異性電荷，膜片的蒸金面向外，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，因此，一般是在傳聲器內部接入一只輸入阻抗極高的結型場效應晶體三極管用來放大駐極體電容產生的電壓信號，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，如圖1所示。

    圖1可以看出UOUT1或UOUT2為傳聲器的輸出信號，由于UOUT1不會受到電源噪聲VDD的影響，具有較強抗電源噪聲干擾能力，所以將UOUT1接到前置放大器進行放大。

2 前置放大電路的設計分析
    前置放大器的作用一方面是對電容傳聲頭輸出的信號進行預放大，另一方面主要是將電容頭的高輸出阻抗轉換為低阻抗輸出。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，另一部分就是下面將詳細分析的放大電路。
2．1 放大電路的簡化模型
    傳聲器的前置放大電路如圖2所示。圖中運放采用了美國美信公司的麥克風前置放大器MAX4465，MAX4465為5腳SC70封裝，低成本，微功耗。下面對這一電路的原理進行簡化分析和說明。為便于電路的分析，令Z1＝R1+1／(jωC1)，Z2＝R2／／1／(jωC2)＝R2／(1+jωR2C2)，根據(jù)理想運放所具有的虛短和虛斷的特點，可以得到電路的傳遞函數(shù)為：

    
    從式(1)可以看出。當ω→∞或ω→0時，電路的傳遞函數(shù)Au→1。

2．2 中頻段通帶增益的估算
    在語音信號的頻段(20 Hz～20 kHz)內，選擇合適的R2、C2值，使R2C2≈O，則1+jωR2C2≈1，若1+jωR1C1≈jωR1C1則帶入式(1)傳遞函數(shù)中，可得Au≈1+R2／R1。若取R2=10R1，則Au=1+R2／R1≈R2／R1。
2．3 上限截止頻率的估算
    當信號的頻率較高時，即在通頻帶內ω值較大，且R2=10R1時，式(1)可變?yōu)椋?br />   
    從上式可以看出，ω=1／(R2C2)，即f=1／(2πR2C2)是電路對應的上限截止頻率。
2．4 下限截止頻率的估算
    當信號的頻率較低時，即在通頻帶內ω值較小且R2=10R1時，則1+jωR2 C2≈1，式(1)可變?yōu)椋?br />   
    從上式可以看出，ω=1／(R1C1)時，即f=1／(2πR1C1)是電路對應的下限截止頻率。
2．5 前置放大電路的仿真結果
    在電路的設計過程中，我們用電路仿真軟件進行了仿真驗證，仿真結果如圖3所示。

    從圖3中可見，上述估算結果和仿真結果基本一致，同時，前置放大電路的實際調試結果也與上述分析基本吻合。

3 小型前置放大器結構特點
    根據(jù)上述原理設計的前置放大器電路板直徑約為10 mm(1／2inch)，其本身具有的微小體積，與高靈敏度的1／2inch駐極體傳聲器配合后可以大大縮小整個傳聲器系統(tǒng)的總體積，從而可以更好地滿足復雜情況下對傳聲器體積的嚴格要求。

4 總結
    本文中所設計的傳聲器前置放大電路具有體積小，成本低廉，輸入阻抗高，抗干擾性能強等優(yōu)點。在電路加工過程中，使用高精度數(shù)字萬用表，對元器件進行了精細的篩選，確保了同一批次不同前置放大器之間的一致性。此外，前置電路還可根據(jù)需要選用3～18 V電壓源供電，以滿足不同條件下的工程需求。目前1／2英寸駐極體傳聲器前置電路器在工程實踐中已經得到了很好的應用。