目標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)旨在設(shè)計(jì)和構(gòu)建一款音頻放大器，該放大器從駐極體麥克風(fēng)獲取小輸出電壓并將其放大，以便驅(qū)動(dòng)小型揚(yáng)聲器。

背景知識(shí)

駐極體麥克風(fēng)是一種電容式麥克風(fēng)，其電容器極板上始終存在一定量的電荷，因而無(wú)需傳統(tǒng)電容式麥克風(fēng)中用于偏置電容器的外部幻象電源。然而，大多數(shù)商用駐極體麥克風(fēng)都會(huì)集成前置放大器（通常是開(kāi)漏FET電路），因此只需低壓小電源。

我們可以使用晶體管來(lái)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的音頻放大器，無(wú)論是否有負(fù)反饋。不過(guò)，負(fù)反饋能夠非常有效地改善失真性能。在本實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)O(shè)計(jì)構(gòu)建了一個(gè)交流耦合的同相運(yùn)算放大器，期望電壓增益為10，輸出端有一個(gè)環(huán)內(nèi)射極跟隨器，并且與揚(yáng)聲器進(jìn)行交流耦合。運(yùn)算放大器可提供電壓增益，射極跟隨器則充當(dāng)緩沖區(qū)，提供驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器所需的電流。將射極跟隨器放置在反饋回路內(nèi)有助于提高其整體性能。

放大器設(shè)計(jì)

駐極體麥克風(fēng)包括一個(gè)開(kāi)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(gè)阻值為680 Ω至2.2 kΩ的漏極電阻RD，如圖1所示。在此設(shè)計(jì)中，漏極電阻設(shè)置為2.2 kΩ，采用5.0 V電源時(shí)，漏極電壓約為4.5 V。

圖1.駐極體麥克風(fēng)輸出級(jí)。

我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將標(biāo)稱(chēng)400 mV p-p信號(hào)驅(qū)動(dòng)至8 Ω揚(yáng)聲器，隨后以地為基準(zhǔn)進(jìn)行交流耦合，需要約±25 mA的電流。該放大器設(shè)計(jì)采用5 V單電源供電。因此，運(yùn)算放大器直流電平偏置到2.5 V的中間電源電壓，并且輸入、輸出和反饋信號(hào)均會(huì)進(jìn)行交流耦合。通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行交流耦合，麥克風(fēng)輸出的直流電平就會(huì)與放大器輸入的直流電平不同。對(duì)于電路的運(yùn)算放大器部分，可使用ADALP2000套件中提供的OP484四通道運(yùn)算放大器，對(duì)于電路的射極跟隨器部分，則可以使用套件中包含的2N3904 NPN晶體管。

圖2.放大器整體原理圖。

材料

ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

無(wú)焊試驗(yàn)板

跳線

一個(gè)OP484軌到軌放大器

一個(gè)駐極體麥克風(fēng)

一個(gè)2N3904 NPN晶體管

一個(gè)8 Ω揚(yáng)聲器

一個(gè)47 Ω電阻

一個(gè)68 Ω電阻

一個(gè)100 Ω電阻

一個(gè)1 kΩ電阻

一個(gè)2.2 kΩ電阻

1個(gè)20 kΩ電阻

一個(gè)4.7 μF電容

一個(gè)47 μF電容

一個(gè)220 μF電容

硬件設(shè)置

在無(wú)焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖3所示的電路。

圖中CBP的標(biāo)注47kΩ錯(cuò)了，應(yīng)該是47μF

圖3.集成駐極體麥克風(fēng)的音頻放大器原理圖。

圖4.集成駐極體麥克風(fēng)的音頻放大器試驗(yàn)板連接。

若想檢查放大器的功能，可以從電路中拆下麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器，然后使用示波器工具進(jìn)行檢查。因此，試驗(yàn)板連接如圖5所示。

圖5.音頻放大器示波器試驗(yàn)板連接。

程序步驟

若要檢查放大器增益，請(qǐng)按照?qǐng)D5所示構(gòu)建設(shè)置。打開(kāi)Scopy并將正電源設(shè)置為5 V。將信號(hào)發(fā)生器通道1設(shè)置為正弦波形，幅度峰峰值為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(jiān)測(cè)通道1上的輸入信號(hào)和通道2上的放大器輸出信號(hào)。將垂直分辨率設(shè)置為100 mV/div，位置設(shè)置為–2.5 V，這樣就能在示波器窗口中看到信號(hào)，如圖6所示。

圖6.放大器輸入和輸出波形。

將駐極體麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器連接到電路中，如圖4所示。將揚(yáng)聲器直接移到麥克風(fēng)前面，直到出現(xiàn)聲音反饋。

問(wèn)題：

為什么正弦波的幅度增加時(shí)會(huì)發(fā)生削波？

為什么揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)彼此靠近時(shí)會(huì)出現(xiàn)聲音反饋？

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