駐極體傳聲器小型前置放大器的設(shè)計(jì)

0 引言

隨著我國通訊事業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)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(yīng)管集成于傳聲器內(nèi)部，但由于高端產(chǎn)品的售價(jià)高昂，低端產(chǎn)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(shè)計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)的電聲換能器。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(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于語言拾音、聲信號(hào)檢測等方面。

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(guān)鍵元件是振動(dòng)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(gè)電容。當(dāng)聲音傳入時(shí)，振膜隨聲波的運(yùn)動(dòng)發(fā)生振動(dòng)，此時(shí)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(hào)，如此就完成了聲音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程。電壓變化的大小，反映了外界聲壓的強(qiáng)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(gè)電信號(hào)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(yīng)晶體管具有輸入阻抗極高、噪聲系數(shù)低的特點(diǎn)，因此，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(yīng)晶體三極管用來放大駐極體電容產(chǎn)生的電壓信號(hào)，同時(shí)以比較低的阻抗在源極S或者漏極G輸出信號(hào)，實(shí)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(hào)，由于UOUT1不會(huì)受到電源噪聲VDD的影響，具有較強(qiáng)抗電源噪聲干擾能力，所以將UOUT1接到前置放大器進(jìn)行放大。

2 前置放大電路的設(shè)計(jì)分析

前置放大器的作用一方面是對(duì)電容傳聲頭輸出的信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大，另一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(yīng)管組成的阻抗變換電路，另一部分就是下面將詳細(xì)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(yùn)放采用了美國美信公司的麥克風(fēng)前置放大器MAX4465，MAX4465為5腳SC70封裝，低成本，微功耗。下面對(duì)這一電路的原理進(jìn)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(yùn)放所具有的虛短和虛斷的特點(diǎn)，可以得到電路的傳遞函數(shù)為：


從式(1)可以看出。當(dāng)ω→∞或ω→0時(shí)，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(hào)的頻段(20 Hz～20 kHz)內(nèi)，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(dāng)信號(hào)的頻率較高時(shí)，即在通頻帶內(nèi)ω值較大，且R2=10R1時(shí)，式(1)可變?yōu)椋?


從上式可以看出，ω=1／(R2C2)，即f=1／(2πR2C2)是電路對(duì)應(yīng)的上限截止頻率。

2．4 下限截止頻率的估算

當(dāng)信號(hào)的頻率較低時(shí)，即在通頻帶內(nèi)ω值較小且R2=10R1時(shí)，則1+jωR2 C2≈1，式(1)可變?yōu)椋?


從上式可以看出，ω=1／(R1C1)時(shí)，即f=1／(2πR1C1)是電路對(duì)應(yīng)的下限截止頻率。

2．5 前置放大電路的仿真結(jié)果

在電路的設(shè)計(jì)過程中，我們用電路仿真軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖3所示。


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

3 小型前置放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)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(gè)傳聲器系統(tǒng)的總體積，從而可以更好地滿足復(fù)雜情況下對(duì)傳聲器體積的嚴(yán)格要求。

4 總結(jié)

本文中所設(shè)計(jì)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在電路加工過程中，使用高精度數(shù)字萬用表，對(duì)元器件進(jìn)行了精細(xì)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(shí)踐中已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。

編輯：博子