學子專區—ADALM2000實驗：整合駐極體麥克風的音訊放大器

作者：ADI 系統設計/架構工程師Andreea Pop 及系統應用工程師 Antoniu Miclaus

目標

本次實驗目的在設計和建構一款音訊放大器，該放大器從駐極體麥克風獲取小輸出電壓並將其放大，以便驅動小型喇叭。

背景知識

駐極體麥克風是一種電容式麥克風，其電容器極板上始終存在一定量的電荷，因而無需傳統電容式麥克風中用於偏置電容器的外部幻象電源。然而，大多數商用駐極體麥克風都會整合前置放大器（通常是開漏FET電路），因此只需低壓小電源。

可以使用電晶體來設計簡單的音訊放大器，並且無論是否有負反饋。不過，負反饋能夠非常有效地改善失真性能。在本實驗中，我們設計建構了一個交流耦合的同相運算放大器，期望電壓增益為10，輸出端有一個環內射極跟隨器，並且與喇叭進行交流耦合。運算放大器可提供電壓增益，射極跟隨器則充當緩衝區，提供驅動喇叭所需的電流。將射極跟隨器放置在反饋迴路內有助於提升其整體性能。

放大器設計

駐極體麥克風包括一個開漏FET前置放大器，需要在其輸出端和5 V電源之間連接一個阻值為680 Ω至2.2 kΩ的漏極電阻 RD，如圖1所示。在此設計中，漏極電阻設定為2.2 kΩ，採用5.0 V電源時，漏極電壓約為4.5 V。

Figure 1. An electret microphone output stage.
圖1.駐極體麥克風輸出級。

我們的設計目標是將標稱400 mV p-p訊號驅動至8 Ω喇叭，隨後以地為基準進行交流耦合，需要約±25 mA的電流。該放大器設計採用5 V單電源供電。因此，運算放大器直流位準偏置到2.5 V的中間電源電壓，並且輸入、輸出和回饋訊號均會進行交流耦合。透過對輸入訊號進行交流耦合，麥克風輸出的直流位準就會與放大器輸入的直流位準不同。對於電路的運算放大器部分，可使用 ADALP2000  套件中提供的OP484 四通道運算放大器，對於電路的射極跟隨器部分，則可以使用套件中包含的2N3904 NPN電晶體。

Figure 2. An overall amplifier schematic diagram.
圖2.放大器整體原理圖。

材料

  • ADALM2000 主動學習模組
  • 無焊試驗板
  • 跳線
  • 一個OP484軌對軌放大器
  • 一個駐極體麥克風
  • 一個2N3904 NPN電晶體
  • 一個8 Ω喇叭
  • 一個47 Ω電阻
  • 一個68 Ω電阻
  • 一個100 Ω電阻
  • 一個1 kΩ電阻
  • 一個2.2 kΩ電阻
  • 1個20 kΩ電阻
  • 一個4.7 μF電容
  • 一個47 μF電容
  • 一個220 μF電容

硬體設定

在無焊試驗板上建構圖3所示的電路。

Figure 3. An audio amplifier with an electret microphone schematic diagram.
圖3.整合駐極體麥克風的音訊放大器原理圖。

若想檢查放大器的功能，可以從電路中拆下麥克風和喇叭，然後使用示波器工具進行檢查。因此，試驗板連接如圖5所示。


程式步驟

若要檢查放大器增益，請按照圖5所示建構設定。打開Scopy並將正電源設定為5 V。將訊號產生器通道1設定為正弦波形，幅度峰對峰值為50 mV，頻率為200 Hz，偏移為2.5 V。嘗試增加正弦波的幅度，直到觀察到削波。在示波器中，監測通道1上的輸入訊號和通道2上的放大器輸出訊號。將垂直解析度設定為100 mV/div，位置設定為–2.5 V，如此便能在示波器視窗中看到訊號，如圖6所示。

Figure 4. An audio amplifier with electret microphone breadboard connections.
圖4.整合駐極體麥克風的音訊放大器試驗板連接。
Figure 5. Audio amplifier oscilloscope breadboard connections.
圖5.音訊放大器示波器試驗板連接。
Figure 6. Amplifier input and output waveforms.
圖6.放大器輸入和輸出波形。

將駐極體麥克風和喇叭連接到電路中，如圖4所示。將喇叭直接移到麥克風前面，直到出現聲音回饋。

問題：

  1. 為什麼正弦波的幅度增加時會發生削波？
  2. 為什麼喇叭和麥克風彼此靠近時會出現聲音回饋？

答案可以在學子專區部落格上找到。