设计目标

设计说明

此电路使用跨阻抗放大器配置中的运算放大器将驻极体炭精盒麦克风的输出电流转换为输出电压。此电路的共模电压是固定的，设置为中位电压，可消除任何输入级交叉失真。

设计说明

1. 在线性输出运行范围内使用运算放大器，通常在 A_OL 测试条件下指定该范围。
2. 使用膝点电压低的电容器（钽、C0G，等等）和薄膜电阻器来帮助降低失真度。
3. 使用电池为此电路供电，以消除因切换电源而导致的失真。
4. 使用低电阻值电阻器和低噪声运算放大器实现高性能低噪声的设计。
5. 为了偏置麦克风而连接到 R₁ 的电压不必与运算放大器的电源电压一致。使用高麦克风偏置电压将允许 R₁ 使用较高的值，这会降低运算放大器电路的噪声增益，同时仍使麦克风保持正常运行。
6. 电容器 C₁ 应该足够大，以它的阻抗远远小于音频频率下的电阻器 R₁。使用钽电容器时请注意信号极性。

设计步骤

以下面的麦克风为例来设计此电路。

1. 麦克风参数	值
   94dB SPL (1Pa) 时的灵敏度	-35 ± 4dBV
   电流消耗最大值	0.5mA
   阻抗	2.2kΩ
   标准工作电压	2Vdc

2. 将灵敏度转换为每帕斯卡的电压。
   ${\text{10}}^{\frac{-35\mathrm{dB}}{20}}=17.78\mathrm{mV}/\mathrm{Pa}$
3. 将每帕斯卡的电压转换为每帕斯卡的电流。
   $\frac{\text{17.78mV}/\mathrm{Pa}}{\text{2.2kΩ}}=8.083\mathrm{\mu A}/\mathrm{Pa}$
4. 声压达到 2Pa 这一最高级别时会出现最大输出电流。
   ${\text{I}}_{\mathrm{Max}}=2\mathrm{Pa}\times 8.083\mathrm{\mu A}/\mathrm{Pa}=16.166\mathrm{\mu A}$
5. 计算电阻器 R₄ 的值以设置增益
   ${\text{R}}_4=\frac{{\mathrm{V}}_{\max }}{{\mathrm{I}}_{\max }}=\frac{\text{1.}228\mathrm{V}}{\text{16.}166\mathrm{\mu A}}=75.961\mathrm{k}\mathrm{\Omega }\approx 75\mathrm{k}\mathrm{\Omega } (\mathrm{Standard} \mathrm{value})$
   最终信号增益为：
   方程式 1. $Gain=20\times \log \left(\frac{V_{out}}{V_{in}}\right)=20\times \log \left(\frac{16.166\mathrm{\mu }A\times 75k\mathrm{\Omega }}{2V}\right)=-4.347dB$
6. 计算偏置电阻器 R₁ 的值。在以下公式中，Vmic 是麦克风的标准工作电压
   ${\text{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{cc}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{mic}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{s}}}=\frac{5\mathrm{V}-2\mathrm{V}}{\text{0.5}\mathrm{mA}}=6\mathrm{k}\mathrm{\Omega }\approx 5.9\mathrm{k}\mathrm{\Omega } (\mathrm{Standard} \mathrm{value})$
7. 根据 20kHz 时的允许偏差计算高频极点。在以下公式中，G_pole1 是频率为 f 时的增益。
   ${\text{f}}_{\mathrm{p}}=\frac{\mathrm{f}}{\sqrt{{\left(\frac{1}{\mathrm{G}\_\mathrm{pole}1}\right)}^2-1}}=\frac{20\mathrm{kHz}}{\sqrt{{\left(\frac{1}{{10}^{\frac{\text{-0.1}}{20}}}\right)}^2-1}}=131.044\mathrm{kHz}$
8. 根据6 中计算的极点频率计算 C₃。
   ${\text{C}}_3=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{p}}\times {\mathrm{R}}_4}=\frac{1}{\text{2π×131.0}44\text{kHz×75kΩ}}=16.194\mathrm{pF}\approx 15\mathrm{pF} (\mathrm{Standard} \mathrm{value})$
9. 根据 20Hz 时的允许偏差计算低频转角频率。在以下公式中，G_pole2 是由所有频率为 f 的极点分别生成的增益。一共有两个极点，所以应除以 2。
   ${\text{f}}_{\mathrm{c}}=\mathrm{f}\times \sqrt{{\left(\frac{1}{\mathrm{G}\_\mathrm{pole}2}\right)}^2-1}=20\mathrm{Hz}\times \sqrt{{\left(\frac{1}{{10}^{\frac{\text{-0.5}/2}{20}}}\right)}^2-1}=4.868\mathrm{Hz}$
10. 根据8 中计算的截止频率计算输入电容器 C₁。
    ${\text{C}}_1=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_1\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times \text{5.9kΩ}\times \text{4.868}\mathrm{Hz}}=5.541\mathrm{\mu F}\approx 4.7\mathrm{\mu F} (\mathrm{Standard} \mathrm{value})$
11. 假设输出负载 R₅ 为 10kΩ，请根据8 中计算的截止频率计算输出电容器 C₄。
    ${\text{C}}_4=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times 10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }\times \text{4.868}\mathrm{Hz}}=3.269\mathrm{\mu F}\approx 3.3\mathrm{\mu F} (\mathrm{Standard} \mathrm{value})$
12. 将放大器的输入共模电压设置为中位电压。选择 100kΩ 作为 R₂ 和 R₃ 的值。等效电阻等于两个电阻器的并联组合：
    ${\text{R}}_{\mathrm{eq}}={\mathrm{R}}_2\left|\left|{\mathrm{R}}_3=100\mathrm{k}\mathrm{\Omega }\right|\right|100\mathrm{k}\mathrm{\Omega }=50\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
13. 计算电容器 C₂ 以过滤电源和电阻器噪声。将截止频率设置为 1Hz。

设计仿真

交流仿真结果

瞬态仿真结果

输入电压表示麦克风的输入信号的 SPL。2V_rms 输入信号表示 2 帕斯卡。

噪声仿真结果

以下仿真结果显示 22kHz 时的噪声为 22.39µV_rms。测量带宽为 22kHz 时的噪声，以表示使用带宽设置为 22kHz 的音频分析仪测量出的噪声。

参考资料

米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，TIA 麦克风放大器电路，SBOC526 仿真

米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，TIPD181 单电源驻极体麦克风前置放大器，参考设计

设计特色运算放大器

设计备选运算放大器