东北大学王明全现代检测技术及系统课程作业.docx

现代检测技术及系统课程作业班级：电子信息工程1401姓名：xxx学号: 1.驻极体麦克风工作原理当驻极体膜片遇到声波振动时，就会引起与金属极板间距离的变化，也就是驻极体振动膜片与金属极板之间的电容随着声波变化，进而引起电容两端固有的电场发生变化（UQ/C），从而产生随声波变化而变化的交变电压。由于驻极体膜片与金属极板之间所形成的“电容”容量比较小（一般为几十波法），因而它的输出阻抗值（XC=1/2fC）很高，约在几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与一般音频放大器的输入端相匹配的，所以在话筒内接入了一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。通过输入阻抗非常高的场效应管将“电容”两端的电压取出来，并同时进行放大，就得到了和声波相对应的输出电压信号。驻极体话筒内部的场效应管为低噪声专用管，它的栅极G和源极S之间复合有二极管VD，参见图1所示，主要起“抗阻塞”作用。由于场效应管必须工作在合适的外加直流电压下，所以驻极体话筒属于有源器件，即在使用时必须给驻极体话筒加上合适的直流偏置电压，才能保证它正常工作，这是有别于一般普通动圈式、压电陶瓷式话筒之处。“驻极体”是一个像一个固定电荷的聚四氟乙烯粘结在其表面材料。驻极体坐落在两个电极之间，以及结构形式的电容器包括固定费用。空气压力变化（声波）使电容器的一个电极来回移动，改变两个电极之间的距离，并调节结构的电容。由于麦克风上的电荷是固定的，不同的电容导致电容器上的电压也发生变化，满足方程Q=C*VQ是电荷，C是电容，V是电压。因此，作为一个交流耦合电容麦克风电压源。因为麦克风电容的电荷必须固定，放大器直接与它接触的电路必须具有极高的输入阻抗。大多数的驻极体传声器有一个内部的JFET缓冲电容麦克风。由声音产生的电压信号在JFET的栅极电压，下图中的电流变化引起标记的VG的JFET的漏极和源极之间（IMIC）。一个非常高的电阻，RG，可能包括偏见的结型场效应管栅极。简化电路的驻极体话筒示意图一个驻极体话筒例结构如图所示。电容器的一个电极是由荷电聚合物膜上的金属化层形成。在薄膜上的金属化层是用金属垫圈连接到麦克风盒，麦克风盒通常连接到的内部结型场效应管的源端。电容器的另一极板由金属背板形成.，由一个塑料垫圈从膜分离，并连接到的JFET的栅极。声波变形金属化膜，有效改变了距离的两电容器板和生产之间的电压。前置放大器的基本原理如图所示。为了理解其操作，考虑到麦克风（IMIC）中的电流具有偏置内部JFET所必需的直流分量（Idc），并且引起交流分量（Iac） 通过声波。 如果电容器C3的阻抗在音频频率下远小于R1，则Iac将流过C3而不是R1。 运算放大器U1作为跨阻抗放大器，并试图通过改变其输出将其反相输入保持在恒定电压（VB）。 运放的输出电压（VOA）将是：最后，输出信号的直流分量被电容C5阻断。出于以下几个原因选择了此结构。 首先，它允许通过将运放的非反相输入偏置到中间电源点来容易地适应单电源操作。 第二，前置放大器的增益由R2决定，但运放的噪声增益由R2与R1的比决定。 因此，与使用非反相放大器相比，利用该结构可以实现更低的噪声。最后，因为电容器C3被选择为在音频频率具有非常低的阻抗，所以麦克风JFET的漏极处的电压变化非常小，潜在地减少了由JFET中的沟道长度调制引起的失真。2.1增益计算麦克风灵敏度以1V条件下dB值的形式给出，用V/Pa表示为因为麦克风的灵敏度是在阻抗的情况下测量的，输出电流每Pa为增益计算取决于麦克风输入的最大声压等级，将100dB SPL作为最大声压等级，100dB SPL为2Pa气压，麦克风输出电流为：互阻抗运放的增益计算为反馈电容C2补偿了运算放大器中能引起不稳定的倒相输入寄生电容。电容C2也和R2形成了一个极点在前置放大器的反馈上。这个极点的频率一定要足够高，以免影响麦克风在声音带宽的传输函数。对于这个设计，20kHz的-0.1dB的反馈偏差是可以接受的。极点的位置能用20kHz的相关增益计算上式中，为低频和频率为时的增益，分别将20kHz代入，0.989代入，得到了极点频率为133725Hz。反馈电容值能由下式计算出2.2、麦克风偏置电阻R1和耦合电容C3R1的值比计算值略小（13.7k和14k比）是为了容纳电源电压的变化。对于这个前置放大器设计，R1有最大值是有益的有两个原因，一个是运放的噪声增益为但是信号增益只由R2决定。因此，增加R1的值减小了运放了噪声增益。另一个是电容C3必须足够大，它在声音频率上的阻抗比R1小得多。增加R1的值允许C3使用更小的值。电阻R1和电容C3形成了高通滤波器，这个滤波器的截止频率必须足够低，来保证不减弱低频声波。一个5Hz的截止频率被用来计算C3的值：2.3.1运算放大器偏置网络电阻R3和R5将运放输入和输出集中在电源之间的中点，以实现尽可能宽的输出信号摆幅。 因此，对于VB = VCC / 2，R3 = R5。使用100k电阻以限制由该分压器提取的电源电流。 分压器中的电流将为：如果需要进一步限制该电流，则可以使用较大的电阻器。 包括电容器C6以滤除由电阻器产生的热噪声和可能存在于电源上的任何噪声。 由R3，R5和C6形成的低通滤波器的转角频率为：此转角频率应远低于可听范围（9V电源电流9V36V电源电流 2.5mA1.5mA包装SOT23-5SOT23-5包装内的运放数量11压摆率2.2V/s10V/s输入电压噪声28.8nV/Hz7nV/Hz输入电流噪声N/A1.6fA/Hz3.1传输特性仿真驻极体麦克风的基本模型用于模拟。 该模型使用压控电流源（VCCS）来模拟麦克风的内部JFET的功能。 电压发生器（VS）用于表示以帕斯卡（1V = 1Pa）为单位的声压级，而直流电压源（VE）通过VCCS产生偏置电流。电流噪声源用于模拟麦克风盒本身的噪声。驻极体麦克风仿真模型的电路原理图VCCS的传递函数直接取自方程，用伏特代替帕斯卡：8.083A/ V。 然后使用给出的“电流消耗”值计算DC电压源VE以建立偏置电流。电压源VG2被配置为1Vrms，1kHz正弦波，以便模拟到麦克风的94dB SPL的输入信号。 计算交流电压，模拟结果显示在图9中。对于94dB SPL输入信号，模拟输出电压为605.8mVrms。 94dB SPL输入信号的交流节点电压仿真3.2噪声特性仿真在13.5kHz的带宽中模拟麦克风和前置放大器电路的总噪声以模拟A加权曲线。 该带宽中的噪声为238.78Vrms。该噪声电压可以用于计算给定声压级的期望信噪比（SNR）。 在94 dB SPL，放大器的输出电压将为0.606Vrms，产生SNR该SNR基本上与麦克风胶囊本身相同，这示出了前置放大器对信号链贡献最小的噪声。 由于噪声模型中的轻微不准确，计算值略高于麦克风的固有SNR。 在 13.5kHz以上的总体噪声整合3.3稳定性分析进行稳定性分析，以确保电路将稳定，长电缆连接到输出。 将1nF电容器添加到