一、功能完善的低音炮功率放大器設計

　　以往往，超過50W的大功率放大器一般都是采用分立元件來制作。包括近期由日本YAMAHA和SONY等世界著名公司生產的低音炮有源音箱，也都是采用分立元件來設計電路，無可否認，用分立元件制作的功率放大器可達到比較高的性能指標，但其制作成功的難度也比較大，普通業余愛好都多數難以完成。為此，該功率放大器是采用一種集成功放IC與線性運放IC制作的功放性能指標，而且具有完善的保護功能，很適合音響愛好都自己制作。

　　電路原理：

　　二、一種可編程寬帶放大器的設計

　　隨著微電子技術的發展，寬帶放大器在科研中具有重要作用。寬帶運算放大器廣泛應用于A／D轉換器、D／A 轉換器、有源濾波器、波形發生器、視頻放大器等電路。這些電路要求運算放大器具有較高的頻帶寬度，電壓增值。為此，以可編程增益放大器THS7001和可變增益放大器AD603為核心，設計一種可編程寬帶運算放大器。該電路增益調節范圍為-6～70 dB，步進間距為6dB，AGC為60 dB，-3 dB通頻帶為40 Hz～15MHz。矩陣鍵盤設置增益值、步進，點陣液晶顯示實時電壓有效值，人機界面友好，操作簡單方便。

　　2 系統總體設計方案

　　該系統主要由可控增益放大器、功率放大與峰值檢波、單片機顯示和控制3大模塊組成。其中可變增益放大器以THS7001和AD603為核心。單片機控制THS7001實現增益粗調，并通過D／A轉換控制AD603實現增益細調，從而使總增益在- 6～70 dB的寬頻帶范圍內線性變化。前置放大器采用由寬帶電壓型反饋運放THS4011構成的射極跟隨器，可有效提高輸入電阻；后級功率放大器采用電流型反饋運放AD811，提高系統帶負載能力。由二極管峰值檢波電路測量峰值，并通過A／D轉換、D／A轉換實現自動增益控制。通過鍵盤手動預置增益值，LCD實時顯示預置增益值并輸出有效值。其系統總體設計框圖如圖1所示。

　　3 器件選型及理論分析

　　3．1 輸入級電路運放選型

　　由于該電路噪聲主要取決于第一級放大器。所以選擇第一級運放成為決定噪聲大小的關鍵。電壓反饋型（VFB）運算放大器具有同相和反向輸人端阻抗基本相同（均為高阻），低噪聲，更好的直流特性，增益帶寬積為常數。反饋電阻的取值自由等特點：而電流反饋型（CFB）運算放大器則具有同相輸入端為高阻阻，反向輸入端為低阻抗，帶寬不受增益影響，壓擺率更快，反饋電阻的取值有限制等特點。由此看出，CFB放大器適用于那些需要壓擺率快、低失真和可設置增益而不影響帶寬的電路；而VFB放大器則適用于那些需要低調電壓、低噪聲的電路。因此選用電壓反饋型運放THS4011作為前級輸入。THS4011是一款高速低噪聲運算放大器，其帶寬為290 MHz，壓擺率為310 V／μs，輸入噪聲為

　　4．2 峰值檢波電路

　　峰值檢波電路由二極管電路和電壓跟隨器組成。其工作原理：當輸入電壓正半周通過時，檢波管 VU2導通，對電容C1、C2充電，直到到達峰值。三極管的基極由FPGA控制，產生1Oμs的高電平使電容放電，以減少前一頻率測量對后一頻率測量的影響，提高幅值測量精度。其中Vu1為常導通，以補償VU2上造成的壓降。適當選擇電容值，使得電容放電速度大于充電速度，這樣電容兩端的電壓可保持在最大電壓處，從而實現峰值檢波。

　　該電路能夠檢測寬范圍信號頻率，較低的被測信號頻率，檢波紋波較大，但通過增加小電容和大電容并聯構成的電容池可濾除紋波。而后級隔離，則增加由OPA277構成的射極跟隨器，如圖3所示。

　　5 系統軟件設計

　　5．1 程序部分設計

　　系統軟件設計遵循結構化和層次化原則，由一個主程序及若干子程序構成。主程序通過調用子程序控制子程序間的時序，從而使整個程序正常運行。系統軟件設計部分由單片機和FPGA組成。單片機主要完成讀取鍵值、控制增益和顯示功能。而FPGA則作為總線控制器，管理鍵盤、液晶和A／D轉換器與單片機之間的數據交換。以Ouartus II 7．2為設計環境，用Verilog HDL硬件描述語言編程，完成各功能模塊的設計，并仿真測試設計好的各個模塊，再將各個模塊相互連接。程序以按鍵中斷為主線，以各項功能為分支，圖4為程序流程。

　　5．2 FPGA部分設計

　　FPGA主要完成A／D、D／A轉換器的串并轉換。采用12位D／A轉換器TLV5618，該器件是串行接口，大大節約系統端口資源，但MCU的P0、 P2端口是并行口，與串行器件的時序匹配較復雜，用靜態口P1端口模擬串行口時序又會占用MCU很多處理時間，影響系統效率。

　　為使MCU對串行器件操作簡單，把串行時序在FPGA中用狀態機描述，同時該控制狀態機又對MCU提供P0口、CS、WR的微機標準時序接口形式，這樣MCU只需選中相應地址，就可寫入所要得到的電壓數據，狀態機會完成串并轉換。

　　以串行接口時序將數據寫入器件并鎖存，與寫IO端口操作一樣簡單方便，而D／A轉換器模塊的輸出端既可得到相應輸出電壓，又達到控制增益的目的。

　　AGC部分采用循環結構，將A／D轉換采樣得到的數據與預設值循環相比較，再通過D／A轉換控制增益倍數，從而實現自動增益控制。

　　6 測試方案及測試數據

　　該系統使用專門的測試儀器，包括單片機仿真器、雙蹤示波器、PC機、多功能函數信號發生器和交流電壓表等。調節輸入信號的幅值和頻率，結合示波器，測試寬帶放大器的增益范圍以及通頻帶。測試結果表明，寬帶放大器總增益調節范圍為-6～70 dB。-3 dB通頻帶為40 Hz～15 MHz。將輸入信號頻率同定，改變輸入電壓幅值。記錄輸入電壓和輸出電壓的最大值和最小值。結果表明，AGC動態范圍大于60 dB。將輸入端短接，設置不同的電壓放大倍數，測量輸出電壓。結果表明，輸出電壓噪聲小于300 mV。

　　7 結束語

　　寬帶放大器以可編程增益放大器THS7001和可變增益放大器AD603為核心，利用數字技術實現增益的步進和預置。總增益范圍為-6～70 dB，通頻帶為40．Hz～15 MHz，AGC動態范圍達到60 dB。前置放大器采用低噪聲電壓反饋型運放THS4011，大大提高輸人電阻。后級功率放大采用電流型反饋運放AD811，有效提高系統的帶負載能力。系統采用多種抗干擾措施，并結合軟件修正，實現較高的精度，具有良好的噪聲，線性性能以及較低的功耗。系統界面友好，操作簡單，經測試已投入應用。

　　三、5V單電源供電的寬帶放大器的設計

　　本設計實現了一個5 V單電源供電的寬帶放大器基本功能。核心部分采用高速運算放大器OPA820ID作為一級放大電路，THS3091D作為末級放大電路，利用DC-DC交換器TPS61087DRC為末級放大電路供電，在輸出負載50 Ω上實現電壓增益等于40 dB。該放大器通頻帶范圍10 Hz～10 MHz，系統最終可利用示波器測量輸出電壓的峰峰值和有效值，并利用MSP430單片機控制1602液晶顯示輸出數據的功能。整個系統結構簡單，而且綜合應用了電容去耦、濾波等抗干擾措施以減少放大器噪聲并抑制高頻自激。經驗證，本方案完成了設計要求和部分擴展功能。

　　1 方案論證與系統設計

　　1.1 方案論證

　　直接使用集成高電壓輸出運放OPA820，放大器通頻帶從20 Hz～10 MHz，并能驅動50 Ω的負載，單純用音頻放大的方法來完成功率輸出。同時要做到在輸出負載上放大器最大不失真輸出電壓峰峰值≥10 V的難度較大，故采用DC-DC變換器TPS61087DRC為末級THS3091放大電路供電，最終設計這款高速寬帶放大器。本方案簡單易行，由于采用單芯片，所以系統體積較小。

　　1.2 系統設計

　　利用模擬電子技術和單片機信號采集處理技術，最終完成增益控制及輸出顯示。系統框圖如圖1所示。

　　圖1 系統框圖

　　2 模擬電路設計

　　利用TI公司的模擬仿真軟件Tina，設計出5 V和15 V電源電路和三級放大電路，并利用峰值檢測電路的輸出經單片機采樣處理后液晶顯示。Tina仿真軟件模擬出上述電路40 dB時的通頻帶范圍為10 Hz～10 MHz。圖2所示為三級放大電路的通頻帶圖。

　　圖2 三級放大電路的通頻帶圖

　　2.1 放大電路

　　采用OPA820作為一級、二級放大電路，THS3091作為末級放大電路。三級放大倍數分別為5倍、5倍和4倍。其中末級電路通過兩個可調電阻來控制放大倍數和保證輸出信號的不失真。圖3所示為基于OPA820和THS3091芯片設計的三級放大電路。

　　圖3 基于OPA820和THS3091芯片設計的三級放大電路

　　2.2 峰值檢測電路

　　由于通頻帶范圍中有低頻和高頻兩種不同輸入，所以采用兩種不同檢測電路。低頻峰值檢測電路可參考專業書上的具體電路，高頻峰值檢測電路在此利用TPS61087芯片仿真設計出的電路，如圖4所示。

　　圖4 高頻峰值檢測電路

　　3 MSP430單片機控制液晶輸出設計

　　3.1 MSP430單片機和液晶

　　MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器。使用了MSP430F149型號的單片機，利用A/D采樣峰值檢測電路的信號，編程處理后最終完成在1602液晶上顯示輸出電壓峰峰值和有效值數據的功能。為了減少功耗，并降低數字系統對模擬信號的干擾，采樣完成后，將微控制器設低功耗模式。同時為了實時采樣后數據顯示不會閃爍，編程時利用定時器定時1 s后中斷，使液晶每隔1 s才顯示一次采樣數據。電路如圖5所示。

　　圖5 單片機和液晶電路圖

　　3.2 軟件流程

　　軟件流程，如圖6所示。

　　圖6 軟件流程圖

　　4 性能測試與分析

　　測試儀器有：泰克公司TS1002 160 M數字示波器和RIGOL DS1022 20M信號源。

　　測試方法主要分3步：（1）連接+5 V、+15 V電源，在輸入端接入信號發生器信號。（2）輸入通頻帶范圍為10 Hz～10 MHz，電壓峰峰值0～100 mV的信號，測試通頻帶內是否平坦。（3）改變輸入電壓的頻率和有效值，分別記錄輸出電壓的峰峰值和有效值。

　　相關測試數據如表1所示。

　　表1 40dB時輸入輸出測試

　　如表1所示，放大器在預置帶寬為10 Hz～10 MHz、最大增益為40 dB的時候，通頻帶內很平坦。此時最大不失真輸出電壓約為10.20 V。經測試，該電路最大增益為42 dB。制作和調試出的實物圖如圖7所示。

　　圖7 實物圖

　　5 結束語

　　本設計實現了一個5 V單電源供電的寬帶放大器基本功能，完成了系統的硬件與軟件設計，解決了較難在輸出負載上不失真輸出電壓峰峰值≥10 V、輸出電壓的峰值檢測、A/D采樣顯示等問題。

　　四、駐極體傳聲器小型前置放大器的設計

　　0 引言

　　隨著我國通訊事業的迅猛發展，對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管集成于傳聲器內部，但由于高端產品的售價高昂，低端產品傳聲器的精度和靈敏度又無法保證，再加上傳統的前置放大器體積又過于龐大。因此，設計一種體積盡可能小，成本低廉而性能優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轉變為相應的電信號的電聲換能器。駐極體傳聲器是一種用駐極體材料制造的新型傳聲器。它具有結構簡單、靈敏度高等優點，被廣泛應用于語言拾音、聲信號檢測等方面。

　　駐極體傳聲器內部主要包括聲電轉換和阻抗變換兩部分。聲電轉換部分包括振膜、極板、空隙三部分。聲電轉換的關鍵元件是振動膜，它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發上一層純金薄膜，然后再經過高壓電場駐極后，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電容。當聲音傳入時，振膜隨聲波的運動發生振動，此時振膜與固定電極間的電容量也隨聲音而發生變化。從而產生了隨聲波變化而變化的交變電壓信號，如此就完成了聲音轉換為電信號的過程。電壓變化的大小，反映了外界聲壓的強弱，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。因而這個電信號輸出阻抗很高，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。而場效應晶體管具有輸入阻抗極高、噪聲系數低的特點，因此，一般是在傳聲器內部接入一只輸入阻抗極高的結型場效應晶體三極管用來放大駐極體電容產生的電壓信號，同時以比較低的阻抗在源極S或者漏極G輸出信號，實現阻抗變換，如圖1所示。

　　圖1可以看出UOUT1或UOUT2為傳聲器的輸出信號，由于UOUT1不會受到電源噪聲VDD的影響，具有較強抗電源噪聲干擾能力，所以將UOUT1接到前置放大器進行放大。

　　2 前置放大電路的設計分析

　　前置放大器的作用一方面是對電容傳聲頭輸出的信號進行預放大，另一方面主要是將電容頭的高輸出阻抗轉換為低阻抗輸出。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管組成的阻抗變換電路，另一部分就是下面將詳細分析的放大電路。

　　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。圖中運放采用了美國美信公司的麥克風前置放大器MAX4465，MAX4465為5腳SC70封裝，低成本，微功耗。下面對這一電路的原理進行簡化分析和說明。為便于電路的分析，令Z1＝R1+1／（jωC1），Z2＝R2／／1／（jωC2）＝R2／（1+jωR2C2），根據理想運放所具有的虛短和虛斷的特點，可以得到電路的傳遞函數為：

　　從式（1）可以看出。當ω→∞或ω→0時，電路的傳遞函數Au→1。

　　2．2 中頻段通帶增益的估算

　　在語音信號的頻段（20 Hz～20 kHz）內，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

　　當信號的頻率較高時，即在通頻帶內ω值較大，且R2=10R1時，式（1）可變為：

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

　　2．4 下限截止頻率的估算

　　當信號的頻率較低時，即在通頻帶內ω值較小且R2=10R1時，則1+jωR2 C2≈1，式（1）可變為：

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

　　2．5 前置放大電路的仿真結果

　　在電路的設計過程中，我們用電路仿真軟件進行了仿真驗證，仿真結果如圖3所示。

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

　　3 小型前置放大器結構特點

　　根據上述原理設計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傳聲器系統的總體積，從而可以更好地滿足復雜情況下對傳聲器體積的嚴格要求。

　　4 總結

　　本文中所設計的傳聲器前置放大電路具有體積小，成本低廉，輸入阻抗高，抗干擾性能強等優點。在電路加工過程中，使用高精度數字萬用表，對元器件進行了精細的篩選，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踐中已經得到了很好的應用。