設計目標

設計說明

此電路使用同相放大器電路配置來放大麥克風輸出信號。此電路的幅度穩定性非常好，在整個音頻范圍內僅具有微小的頻率響應偏差。此電路旨在使用 5V 單電源來運行。

設計說明

1. 在運算放大器線性輸出運行范圍內運行，通常在 A_OL 測試條件下指定該范圍。
2. 使用膝點電壓低的電容器（鉭、C0G，等等）和薄膜電阻器來幫助降低失真度。
3. 使用電池為此電路供電，以消除因切換電源而導致的失真。
4. 使用低電阻值電阻器和低噪聲運算放大器實現低噪聲的設計。
5. 共模電壓等于使用電阻分壓器設置的直流偏置電壓加上麥克風輸出電壓導致產生的全部差異。對于具有互補對輸入級的運算放大器，建議使共模電壓保持遠離交叉區域，以消除交叉失真的可能性。
6. 電阻器 R₁ 用于偏置麥克風內置 JFET 晶體管，以實現麥克風指定的偏置電流。
7. 等效輸入電阻由 R₁、R₂、R₃ 確定。為 R₂ 和 R₃ 使用高電阻值電阻器，以增大輸入電阻。
8. 為了偏置麥克風而連接到 R₁ 的電壓不必與運算放大器的電源電壓相同。通過為實現麥克風偏置而使用電壓較高的電源，將可以使用較低的偏置電阻器值。

設計步驟

此設計規程使用下表中提供的麥克風規格。

1. 將靈敏度轉換為每帕斯卡的電壓。
   ${\text{ 10}}^{\frac{-\text{35dB}}{\text{20}}}=\text{17.78}\frac{\text{mV}}{\text{Pa}}$
2. 將每帕斯卡的電壓轉換為每帕斯卡的電流。
   $\frac{\text{17.78}{\displaystyle \frac{\text{mV}}{\text{Pa}}}}{\text{2.2k?}}=\text{8.083}\frac{\text{μA}}{\text{Pa}}$
3. 壓力達到 2Pa 這一最大值時會出現最大輸出電流。
   ${\text{I}}_{\text{Max}}=\text{2Pa × 8.083}\frac{\text{μA}}{\text{Pa}}=\text{16.166μA }$
4. 計算偏置電阻器。在以下公式中，Vmic 是麥克風標準工作電壓。
   ${\text{R}}_1=\frac{{\text{V}}_{\mathrm{cc}}-{\text{V}}_{\mathrm{mic}}}{{\text{I}}_{\mathrm{s}}}=\frac{\text{5V-2V}}{\text{0.5mA}}\text{=6k?≈5.9k? (Standard Value)}$
5. 將放大器的輸入共模電壓設置為中位電壓。與 R₃ 并聯的 R₂ 的等效電阻應該比 R1 大 10 倍，以麥克風電流的絕大部分流經 R₁。
   $$\begin{gathered} {\text{R}}_{\mathrm{eq}}=\text{R2||R3}\mathrm{ }\text{>10 × R1}=\text{100k?} \\ {\text{Choose R}}_{\text{2}}={\text{R}}_{\text{3}}=\text{200k?} \end{gathered}$$
6. 計算最大輸入電壓。
   $$\begin{gathered} {\text{R}}_{\text{in}}={\text{R1||R}}_{\text{eq}}=\text{5.9k?}|\text{|100k?}=\text{5.571k?} \\ {\text{V}}_{\text{in}}={\text{I}}_{\text{max}}{\text{ × R}}_{\text{in}}=\text{16.166uA × 5.571k?}=\text{90.067mV} \end{gathered}$$
7. 計算生成最大輸出電壓擺幅所需的增益。
   $\text{Gain}=\frac{{\text{V}}_{\text{outmax}}}{{\text{V}}_{\text{in}}}=\frac{\text{1.228V}}{\text{90.067mV}}=\text{13.634}\frac{\text{V}}{\text{V}}$
8. 計算 R₄ 以設置7 中計算的增益。選擇 10kΩ 作為反饋電阻器 R₅ 的值。
   $$\begin{gathered} {\text{R}}_4=\frac{{\text{R}}_5}{\text{Gain-1}}=\frac{\text{10k?}}{\text{13.634-1}}=\text{791?}\approx \text{787? (Standard Values)} \\ \text{The final gain of this circuit is:} \\ \text{Gain}=\text{20log}\left(\frac{\text{Vout}}{\text{Vin}}\right)=\text{20log}\left(\frac{\text{16.166uA} \times \text{ 5.571k?} \times \left(\text{1+}\frac{\text{10k?}}{\text{787?}}\right)}{\text{2V}}\right) = \text{-4.191dB} \end{gathered}$$
9. 根據 20Hz 時的允許偏差計算低頻轉角頻率。在以下公式中，G_pole1 是由頻率為“f”時的每個極點生成的增益。請注意，您應該除以 3，因為這里有三個極點。
   ${\text{f}}_{\mathrm{c}}=\text{f}\sqrt{{\left(\frac{1}{\text{G\_pole1}}\right)}^2-\text{1}}=\text{20Hz}\sqrt{{\left(\frac{\text{1}}{{\text{10}}^{\frac{\text{-0.5/3}}{\text{20}}}}\right)}^{\text{2}}-\text{1}}=\text{3.956Hz}$
10. 根據9 中計算的截止頻率計算 C₁。
    ${\text{C}}_1\text{=}\frac{\text{1}}{{\text{2π×Req×f}}_{\mathrm{c}}}=\frac{\text{1}}{\text{2π×100k?×3.956Hz}}=\text{0.402μF≈0.33μF (Standard Value)?}$
11. 根據9 中計算的截止頻率計算 C₂。
    ${\text{C}}_{\text{2}}=\frac{\text{1}}{{\text{2π×R4×f}}_{\mathrm{c}}}=\frac{\text{1}}{\text{2π×787?×3.956Hz}}=\text{51.121μF≈47μF (Standard Value)}$
12. 根據 20kHz 時的允許偏差計算高頻極點。在以下公式中，G_pole2 是由所有頻率為“f”的極點生成的增益。
    ${\text{f}}_{\mathrm{p}}=\frac{\text{f}}{\sqrt{{\left(\frac{\text{1}}{\text{G\_pole2}}\right)}^2-1}}=\frac{\text{20kHz}}{\sqrt{{\left(\frac{1}{{\text{10}}^{\frac{-\text{0.1}}{20}}}\right)}^2-1}}=\text{131.044kHz}$
13. 計算 C3 以設置12 中計算的截止頻率。
    ${\text{C}}_{\text{3}}\text{=}\frac{\text{1}}{{\text{2π×R}}_{\text{5}}{\text{×f}}_{\mathrm{p}}}\text{=}\frac{\text{1}}{\text{2π×10k?×131.044kHz}}\text{=121.451pF≈120pF (Standard Value)}$
14. 根據9 中計算的截止頻率計算輸出電容器 C₄。假設輸出負載 R₆ 為 10kΩ。
    ${\text{C}}_4=\frac{1}{{\text{2π×R}}_6\text{×}{\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}}=\frac{\text{1}}{\text{2π10k?×3.956Hz}}=\text{4.023μF≈3.3μF (Standard Value)}$

設計仿真

交流仿真結果

瞬態仿真結果

輸入電壓表示麥克風的輸入信號的 SPL。1V_rms 輸入信號表示 1Pa。

噪聲仿真結果

以下仿真結果顯示 22kHz 時的噪聲為 22.39uVrms。測量帶寬為 22kHz 時的噪聲，以表示使用帶寬設置為 22kHz 的音頻分析儀測量出的噪聲。

參考資料：

德州儀器 (TI)，同相麥克風放大器電路仿真，SBOC525 SPICE 仿真文件

TI 高精度設計，單電源駐極體麥克風前置放大器，TIPD181 參考設計

設計特色運算放大器

設計備選運算放大器