驻极体传声器小型前置放大器的设计

0 引言
    随着我国通讯事业的迅猛发展，对驻极体传声器的需求也越来越大。目前，一些小型的驻极体传声器虽然可以将场效应管集成于传声器内部，但由于高端产品的售价高昂，低端产品传声器的精度和灵敏度又无法保证，再加上传统的前置放大器体积又过于庞大。因此，设计一种体积尽可能小，成本低廉而性能优良的前置放大器具有十分重要的意义。

1 驻极体传声器的原理概述
    传声器是一种将声信号转变为相应的电信号的电声换能器。驻极体传声器是一种用驻极体材料制造的新型传声器。它具有结构简单、灵敏度高等优点，被广泛应用于语言拾音、声信号检测等方面。
    驻极体传声器内部主要包括声电转换和阻抗变换两部分。声电转换部分包括振膜、极板、空隙三部分。声电转换的关键元件是振动膜，它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜，然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷，膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开，这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当声音传入时，振膜随声波的运动发生振动，此时振膜与固定电极间的电容量也随声音而发生变化。从而产生了随声波变化而变化的交变电压信号，如此就完成了声音转换为电信号的过程。电压变化的大小，反映了外界声压的强弱，这种电压变化频率反映了外界声音的频率。驻极体传声器振膜与极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。因而这个电信号输出阻抗很高，而且很弱。因此，不能将驻极体传声器的输出直接与音频放大器相接。而场效应晶体管具有输入阻抗极高、噪声系数低的特点，因此，一般是在传声器内部接入一只输入阻抗极高的结型场效应晶体三极管用来放大驻极体电容产生的电压信号，同时以比较低的阻抗在源极S或者漏极G输出信号，实现阻抗变换，如图1所示。

    图1可以看出UOUT1或UOUT2为传声器的输出信号，由于UOUT1不会受到电源噪声VDD的影响，具有较强抗电源噪声干扰能力，所以将UOUT1接到前置放大器进行放大。

2 前置放大电路的设计分析
    前置放大器的作用一方面是对电容传声头输出的信号进行预放大，另一方面主要是将电容头的高输出阻抗转换为低阻抗输出。小型前置放大器的电路主要包括两部分，其中一部分是场效应管组成的阻抗变换电路，另一部分就是下面将详细分析的放大电路。
2．1 放大电路的简化模型
    传声器的前置放大电路如图2所示。图中运放采用了美国美信公司的麦克风前置放大器MAX4465，MAX4465为5脚SC70封装，低成本，微功耗。下面对这一电路的原理进行简化分析和说明。为便于电路的分析，令Z1＝R1+1／(jωC1)，Z2＝R2／／1／(jωC2)＝R2／(1+jωR2C2)，根据理想运放所具有的虚短和虚断的特点，可以得到电路的传递函数为：

    
    从式(1)可以看出。当ω→∞或ω→0时，电路的传递函数Au→1。

2．2 中频段通带增益的估算
    在语音信号的频段(20 Hz～20 kHz)内，选择合适的R2、C2值，使R2C2≈O，则1+jωR2C2≈1，若1+jωR1C1≈jωR1C1则带入式(1)传递函数中，可得Au≈1+R2／R1。若取R2=10R1，则Au=1+R2／R1≈R2／R1。
2．3 上限截止频率的估算
    当信号的频率较高时，即在通频带内ω值较大，且R2=10R1时，式(1)可变为：
   
    从上式可以看出，ω=1／(R2C2)，即f=1／(2πR2C2)是电路对应的上限截止频率。
2．4 下限截止频率的估算
    当信号的频率较低时，即在通频带内ω值较小且R2=10R1时，则1+jωR2 C2≈1，式(1)可变为：
   
    从上式可以看出，ω=1／(R1C1)时，即f=1／(2πR1C1)是电路对应的下限截止频率。
2．5 前置放大电路的仿真结果
    在电路的设计过程中，我们用电路仿真软件进行了仿真验证，仿真结果如图3所示。

    从图3中可见，上述估算结果和仿真结果基本一致，同时，前置放大电路的实际调试结果也与上述分析基本吻合。

3 小型前置放大器结构特点
    根据上述原理设计的前置放大器电路板直径约为10 mm(1／2inch)，其本身具有的微小体积，与高灵敏度的1／2inch驻极体传声器配合后可以大大缩小整个传声器系统的总体积，从而可以更好地满足复杂情况下对传声器体积的严格要求。

4 总结
    本文中所设计的传声器前置放大电路具有体积小，成本低廉，输入阻抗高，抗干扰性能强等优点。在电路加工过程中，使用高精度数字万用表，对元器件进行了精细的筛选，确保了同一批次不同前置放大器之间的一致性。此外，前置电路还可根据需要选用3～18 V电压源供电，以满足不同条件下的工程需求。目前1／2英寸驻极体传声器前置电路器在工程实践中已经得到了很好的应用。