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LOTO课5:三极管音频放大电路实践

 

我们在项目中经常会遇到音频信号的采集处理,我们今天做一个最简单的音频采集模块。它的电路其实就是在我们上节课的三极管的放大电路上的一个改进,在上一节课三极管放大电路的基础之上,将输出信号换成驻极体话筒,输出端加上截止频率在20KHZ左右的RC低通滤波电路,通过滤波电路来滤除频率在20KHZ以上的噪声信号。

 

 上一节课关于三极管放大的文章链接如下:

 

https://www.bilibili.com/read/cv5848391?from=articleDetail


设计的电路原理图如图所示,通过传感器获取一个交流的小信号,经过三级管放大电路放大信号之后再进行输出:

 

课5图1.jpg

 


等不及打板,手工焊接了一个样品进行试验:

 

课5图2.jpg
通过LOTO示波器OSC482来测量放大后的输出信号:

 

课5图3.jpg
 还可以观察三极管放大电路对小信号的放大效果,同时来绘制出放大后的信号的FFT频谱:

课5图4.jpg


示波器的上位机软件自带FFT频谱绘制功能,按照视频的参数设置好之后,就可以自动绘制测试信号的FFT频谱。距离一两米远正常说话的声音可以清晰的采集和显示,为了直观,下图是用不锈钢勺子敲击我的陶瓷水杯发出的声音波形。本来话筒接受到的声音转换成的电压很小,通过三极管放大电路放了了大概70倍左右,示波器就可以清晰显示了:

 

课5图5.jpg


通过FFT频谱分析会发现,这个勺子和陶瓷杯的敲击,会产生一个频率为2K的音频。      
过程录制了视频如下: 

 

https://www.bilibili.com/video/BV1X5411x7cS/                          
  
不知道为什么插不进来视频了,我只好放了视频的链接再上面。     

 

   开始实验的时候我们并没有在输出端加上RC低通滤波电路,而是直接用示波器测量。但是我们在上位机软件界面观察到测量的输出信号被大量的噪声信号淹没了,并不能特别直观的观察到输出的放大信号,因此我们通过设计一个简单地RC低通滤波电路来去除掉大于声音信号频率的噪声,信号被噪声淹没图如下图所示:

 

课5图6.jpg


 关于RC低通滤波我们在第3节课也讲过,不熟悉的客官们可以参考下:

 

https://www.bilibili.com/read/cv5748656?from=articleDetail   


 我们这次实践使用的RC低通滤波的参数:           

 

课5图7.jpg                   
 最后献上匆忙整理的原理图,后续布线和出样板了再通知大家:       

 

课5图8.jpg


  最左侧是驻极体话筒不是喇叭哈


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LOTO课5:三极管音频放大电路实践


 


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“输出端加上截止频率在20KHZ左右的RC低通滤波电路,通过滤波电路来滤除频率在20KHZ以上的噪声信号“。

这个20kHz,是根据R4和C6数值计算的吧?

点评

不是这样来的,20K是人耳朵能听到的音频的上限,所以做声音采集,可以把高于这个频率的信号低通掉,让信号再不受影响 前提下尽量干净。先知道20K,然后选择低通滤波的RC参数。  详情 回复 发表于 2020-5-29 14:14

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20K低通? 输出600R的话,依我看是425Hz低通,开路的话是160Hz

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楼主的成绩也就是50分,讲课不是害人么?这电路增益能到70?突破理论了?

5V供电,从信号源看进来的阻抗5.3K,三极管临界饱合时的hFE=330,则小信号增益=330*1/5.3=62.3(倍),这是小得不能再小的小信号增益的极限。

实际上,集电极电压必大于0.7V,hFE小于330, 以集电极电压1.5V为例,hFE=270, 增益=270*1/5.3=51倍。

楼主的电路和参数要达到71倍的极限增益,供电需要9V

点评

嘴犟!!! 3K电阻的作用是把放大器的输出端由电压源变成电阻性质,用来提高放大器的线性范围降低失真。 因此,放大器的输入端为3K的左端而非右端。你不用3K试试,MIC信号稍强必有半周失真 用运放搭一个反  详情 回复 发表于 2020-5-29 17:57
实测70倍,实践是检验真理的唯一标准,不管你算出来多少,公式用了多少,实测数据是冰冷又坚硬的。这就是做这种基础课程实践的意义,动嘴,动手永远会有不一样的收获。 我不是老师,我是做示波器的,我也不是讲课  详情 回复 发表于 2020-5-29 14:23
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maychang 发表于 2020-5-18 17:28 “输出端加上截止频率在20KHZ左右的RC低通滤波电路,通过滤波电路来滤除频率在20KHZ以上的噪声信号&ld ...

不是这样来的,20K是人耳朵能听到的音频的上限,所以做声音采集,可以把高于这个频率的信号低通掉,让信号再不受影响 前提下尽量干净。先知道20K,然后选择低通滤波的RC参数。

点评

实际上,从R4左端向左看,忽略C4容抗,该放大电路的输出电阻大约就是R3。而R3为1千欧。根据这些数值(仍然假定输出开路),计算的结果是-3dB频率为159Hz。这也就是PowerAnts在4楼的结论。  详情 回复 发表于 2020-5-29 15:32
R4为8.2欧,C6为1uF。假定负载(P1)开路,R4左端为一个电压源激励,那么该一阶RC低通3dB频率为19.409kHz。 但是,R4左端并不是一个电压源,你却把它当成一个电压源了。  详情 回复 发表于 2020-5-29 15:25
“先知道20K,然后选择低通滤波的RC参数。” 你是在胡乱计算。注意4楼PowerAnts的计算结果。  详情 回复 发表于 2020-5-29 15:19

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PowerAnts 发表于 2020-5-19 11:40 楼主的成绩也就是50分,讲课不是害人么?这电路增益能到70?突破理论了? 5V供电,从信号源看进来的阻抗 ...

实测70倍,实践是检验真理的唯一标准,不管你算出来多少,公式用了多少,实测数据是冰冷又坚硬的。这就是做这种基础课程实践的意义,动嘴,动手永远会有不一样的收获。

我不是老师,我是做示波器的,我也不是讲课,我们用仪器把最基础的课本知识实践掰开了揉碎了过程记录下来给你看,这是不一样的角度,他的价值就是不要让初学者的知识停留在课本上,停留在理论上,停留在公式上。如果实测和理论对不上,那一定是理论的问题,需要你继续理解和完善它。

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“实测数据是冰冷又坚硬的。” 还有可能是测量方法的错误,还有可能是测量仪器的错误,还有可能是仪器标定的错误。  详情 回复 发表于 2020-5-30 09:58

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LOTO2018 发表于 2020-5-29 14:14 不是这样来的,20K是人耳朵能听到的音频的上限,所以做声音采集,可以把高于这个频率的信号低通掉,让信 ...

“先知道20K,然后选择低通滤波的RC参数。”

你是在胡乱计算。注意4楼PowerAnts的计算结果。


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LOTO2018 发表于 2020-5-29 14:14 不是这样来的,20K是人耳朵能听到的音频的上限,所以做声音采集,可以把高于这个频率的信号低通掉,让信 ...

R4为8.2欧,C6为1uF。假定负载(P1)开路,R4左端为一个电压源激励,那么该一阶RC低通3dB频率为19.409kHz。

但是,R4左端并不是一个电压源,你却把它当成一个电压源了。


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LOTO2018 发表于 2020-5-29 14:14 不是这样来的,20K是人耳朵能听到的音频的上限,所以做声音采集,可以把高于这个频率的信号低通掉,让信 ...

实际上,从R4左端向左看,忽略C4容抗,该放大电路的输出电阻大约就是R3。而R3为1千欧。根据这些数值(仍然假定输出开路),计算的结果是-3dB频率为159Hz。这也就是PowerAnts在4楼的结论。

点评

因为有C4在,所以你说的R3对于后续的RC滤波来说是等效成串联在RC前路上还是并联在前路上呢?如果是串联在前路上,那么就像你说的,要记入RC滤波计算中。 但是我怎么看它对于后级来说,是并联在等效电压源端呢?  详情 回复 发表于 2020-5-29 22:29

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PowerAnts 发表于 2020-5-19 11:40 楼主的成绩也就是50分,讲课不是害人么?这电路增益能到70?突破理论了? 5V供电,从信号源看进来的阻抗 ...

嘴犟!!!

3K电阻的作用是把放大器的输入端由电压源变成电阻性质,用来提高放大器的线性范围降低失真。

因此,放大器的输入端为3K的左端而非右端。你不用3K试试,MIC信号稍强必有半周失真

用运放搭一个反向放大器,你测量输出端的电压变化与输入端的电压变化,这叫放大器的放大倍数;若你衡量输出端的变化与反相输入端的变化之比,那接近运放的开环增益。

不懂原理的实践都是瞎搞,还以为自已发现了新大陆呢。实测数据是最有道理的?律巴布韦币的数据很牛B,咋样?

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讨论问题归讨论问题,不要带情绪啊  详情 回复 发表于 2020-5-29 22:30
https://www.bilibili.com/video/BV1fi4y1t79b/ 难道是文里说的不清楚,这个文的基础是上一讲三极管放大电路的后续,在上一讲三极管电路的基础上前面加了MIC输入,后面加了RC滤波,上一讲是纯三极管放大的部分,  详情 回复 发表于 2020-5-29 22:22
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PowerAnts 发表于 2020-5-29 17:57 PowerAnts 发表于 2020-5-19 11:40 楼主的成绩也就是50分,讲课不是害人么?这电路增益能到70?突破理论 ...

https://www.bilibili.com/video/BV1fi4y1t79b/

难道是文里说的不清楚,这个文的基础是上一讲三极管放大电路的后续,在上一讲三极管电路的基础上前面加了MIC输入,后面加了RC滤波,上一讲是纯三极管放大的部分,输入用信号源,输出用示波器,实测的放大倍数是70倍。这次延续实验,前面加输入级,后面加输出级,说把输入级加一个70倍的三极管放大电路有什么问题吗?前级加上去了整体拉低了变得不是70倍了,非得认为是三极管电路放大倍数变了吗?不能是前级的输出能力因为带后级被拉低了,而后级我认为它的放大倍数就是70倍不行吗?为啥戾气这要这么重呢?

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按照你的逻辑,OP的开环增益100万倍,这个放大器增益就是100万倍,而不是 R2/R1 喽   [attachimg]479852[/attachimg]  详情 回复 发表于 2020-5-30 12:43

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maychang 发表于 2020-5-29 15:32 实际上,从R4左端向左看,忽略C4容抗,该放大电路的输出电阻大约就是R3。而R3为1千欧。根据这些数值(仍然 ...

因为有C4在,所以你说的R3对于后续的RC滤波来说是等效成串联在RC前路上还是并联在前路上呢?如果是串联在前路上,那么就像你说的,要记入RC滤波计算中。

但是我怎么看它对于后级来说,是并联在等效电压源端呢?

如果是等效为串联,低通滤波就像你算的是100多HZ的截止频率。那我视频中敲杯子的2K的频谱分量怎么会出来呢?一个2K的信号产生了,然后经过一个截止100多赫兹的RC滤波器,还能这么明显的测到吗?

这不就是实践引出来的问题,不就是价值所在吗?

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一阶低通,带外衰减是相当慢的。你所说十倍频之外就用示波器观察不到了,那需要很高阶的低通滤波才行。  详情 回复 发表于 2020-5-30 07:41
“这不就是实践引出来的问题,不就是价值所在吗?” 实践,应该在输出端接个耳机,加入RC和去掉RC比较,听听你敲杯子的声音在耳机中能否听到,大小程度如何。  详情 回复 发表于 2020-5-30 07:39
从帖中看,你的实验条件尚称不错。你用低频信号发生器替代话筒,输出用示波器观察幅度,输入信号从20Hz开始取若干点频率,例如20Hz、50Hz、100Hz……就可以观察出来你的低通滤波对频率的响应。 再者  详情 回复 发表于 2020-5-30 07:14
如果是等效为串联,低通滤波就像你算的是100多HZ的截止频率。那我视频中敲杯子的2K的频谱分量怎么会出来呢?一个2K的信号产生了,然后经过一个截止100多赫兹的RC滤波器,还能这么明显的测到吗?   太容易  详情 回复 发表于 2020-5-30 07:07
“如果是等效为串联,低通滤波就像你算的是100多HZ的截止频率。” 当然是串联于电压源。 而且,这个串联于电压源,是R3并联于电流源等效来的。电流源就是Q1。别忘了,你计算放大倍数时就是按照Q1是  详情 回复 发表于 2020-5-30 06:56

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PowerAnts 发表于 2020-5-29 17:57 PowerAnts 发表于 2020-5-19 11:40 楼主的成绩也就是50分,讲课不是害人么?这电路增益能到70?突破理论 ...

讨论问题归讨论问题,不要带情绪啊

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你谁啊?那个跟你玩情绪?  详情 回复 发表于 2020-5-30 12:41

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LOTO2018 发表于 2020-5-29 22:29 因为有C4在,所以你说的R3对于后续的RC滤波来说是等效成串联在RC前路上还是并联在前路上呢?如果是串联在 ...

“我怎么看它对于后级来说,是并联在等效电压源端呢?”

电压源两端并联一个电阻,这个电阻对电路的其它部分不可能产生任何影响。

 


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LOTO2018 发表于 2020-5-29 22:29 因为有C4在,所以你说的R3对于后续的RC滤波来说是等效成串联在RC前路上还是并联在前路上呢?如果是串联在 ...

“如果是等效为串联,低通滤波就像你算的是100多HZ的截止频率。”

当然是串联于电压源。

而且,这个串联于电压源,是R3并联于电流源等效来的。电流源就是Q1。别忘了,你计算放大倍数时就是按照Q1是个近似电流源计算的。

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你说的有道理。  详情 回复 发表于 2020-5-30 09:37

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LOTO2018 发表于 2020-5-29 22:29 因为有C4在,所以你说的R3对于后续的RC滤波来说是等效成串联在RC前路上还是并联在前路上呢?如果是串联在 ...

如果是等效为串联,低通滤波就像你算的是100多HZ的截止频率。那我视频中敲杯子的2K的频谱分量怎么会出来呢?一个2K的信号产生了,然后经过一个截止100多赫兹的RC滤波器,还能这么明显的测到吗?

 

太容易测到了。这个RC是一阶低通,通带外衰减速率为-6dB/oct。近似计算,2kHz时增益和200Hz相比较,电压衰减到十分之一。


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LOTO2018 发表于 2020-5-29 22:29 因为有C4在,所以你说的R3对于后续的RC滤波来说是等效成串联在RC前路上还是并联在前路上呢?如果是串联在 ...

从帖中看,你的实验条件尚称不错。你用低频信号发生器替代话筒,输出用示波器观察幅度,输入信号从20Hz开始取若干点频率,例如20Hz、50Hz、100Hz……就可以观察出来你的低通滤波对频率的响应。

再者,如果能够仿真,要看你的RC低通频率响应就更容易了。

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测RC的实际频响曲线也有做,帖子如下: http://bbs.eeworld.com.cn/thread-1122200-1-1.html 我的信号源直接带扫频功能,然后示波器软件上直接带绘图功能,是可以测出一阶的RC的频响曲线的。  详情 回复 发表于 2020-5-30 09:32

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LOTO2018 发表于 2020-5-29 22:29 因为有C4在,所以你说的R3对于后续的RC滤波来说是等效成串联在RC前路上还是并联在前路上呢?如果是串联在 ...

“这不就是实践引出来的问题,不就是价值所在吗?”

实践,应该在输出端接个耳机,加入RC和去掉RC比较,听听你敲杯子的声音在耳机中能否听到,大小程度如何。


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LOTO2018 发表于 2020-5-29 22:29 因为有C4在,所以你说的R3对于后续的RC滤波来说是等效成串联在RC前路上还是并联在前路上呢?如果是串联在 ...

一阶低通,带外衰减是相当慢的。你所说十倍频之外就用示波器观察不到了,那需要很高阶的低通滤波才行。


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