設計目標

設計の説明

この回路は、オペアンプをトランスインピーダンス アンプ構成で使用し、エレクトレット カプセル マイクロフォンからの出力電流を出力電圧に変換します。この回路の同相電圧を一定とし、電源電圧の 1/2 に設定することで、入力段のクロスオーバーひずみが除去されます。

デザイン ノート

1. オペアンプの線形出力動作範囲内で使用してください。この範囲は通常、A_OL のテスト条件に規定されています。
2. Low–K コンデンサ (タンタル、C0G など) と薄膜抵抗を使用すると、ひずみを減らすのに役立ちます。
3. この回路をバッテリで駆動すると、スイッチング電源により発生するひずみを除去できます。
4. 高性能低ノイズ設計の場合、値の小さい抵抗と、低ノイズのオペアンプを使用します。
5. マイクロフォンをバイアスするために接続する電圧 R₁ は、オペアンプの電源電圧と一致する必要はありません。マイクロフォンのバイアス電圧を増やすと、より大きな値の R₁ を使用して、マイクロフォンの通常の動作を維持しながら、オペアンプ回路のノイズ ゲインを減らすことができます。
6. コンデンサ C₁ は、音声周波数においてインピーダンスが抵抗 R₁ よりも大幅に小さくなるよう、十分に大きくする必要があります。タンタル コンデンサを使用するときは、信号の極性に注意してください。

設計手順

この回路の設計例では、次のマイクロフォンが選択されています。

1. マイクロフォンのパラメータ	値
   94dB SPL (1Pa) での感度	-35 + 4dBV
   消費電流 (最大値)	0.5mA
   インピーダンス	2.2kΩ
   動作電圧 (標準値)	2Vdc

2. 感度をボルト / パスカルに変換します。
   ${\text{10}}^{\frac{-35\mathrm{dB}}{20}}=17.78\mathrm{mV}/\mathrm{Pa}$
3. ボルト / パスカルを電流 / パスカルに変換します。
   $\frac{\text{17.78mV}/\mathrm{Pa}}{\text{2.2kΩ}}=8.083\mathrm{\mu A}/\mathrm{Pa}$
4. 最大出力電流は、最大音圧レベル 2Pa のとき発生します。
   ${\text{I}}_{\mathrm{Max}}=2\mathrm{Pa}\times 8.083\mathrm{\mu A}/\mathrm{Pa}=16.166\mathrm{\mu A}$
5. ゲインを設定するため、抵抗 R₄ の値を計算します
   ${\text{R}}_4=\frac{{\mathrm{V}}_{\max }}{{\mathrm{I}}_{\max }}=\frac{\text{1.}228\mathrm{V}}{\text{16.}166\mathrm{\mu A}}=75.961\mathrm{k}\mathrm{\Omega }\approx 75\mathrm{k}\mathrm{\Omega } (\mathrm{Standard} \mathrm{value})$
   最終的な信号ゲインは次のようになります。
   式 1. $Gain=20\times \log \left(\frac{V_{out}}{V_{in}}\right)=20\times \log \left(\frac{16.166\mathrm{\mu }A\times 75k\mathrm{\Omega }}{2V}\right)=-4.347dB$
6. バイアス抵抗 R₁ の値を計算します。次の式で、Vmic はマイクロフォンの動作電圧 (標準値) です。
   ${\text{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{cc}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{mic}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{s}}}=\frac{5\mathrm{V}-2\mathrm{V}}{\text{0.5}\mathrm{mA}}=6\mathrm{k}\mathrm{\Omega }\approx 5.9\mathrm{k}\mathrm{\Omega } (\mathrm{Standard} \mathrm{value})$
7. 20Hz での許容される偏差に従い、高周波数の極を計算します。次の式で、G_pole1 は周波数 f でのゲインです。
   ${\text{f}}_{\mathrm{p}}=\frac{\mathrm{f}}{\sqrt{{\left(\frac{1}{\mathrm{G}\_\mathrm{pole}1}\right)}^2-1}}=\frac{20\mathrm{kHz}}{\sqrt{{\left(\frac{1}{{10}^{\frac{\text{-0.1}}{20}}}\right)}^2-1}}=131.044\mathrm{kHz}$
8. 6 で計算した極の周波数に基づき、C₃ を計算します。
   ${\text{C}}_3=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{p}}\times {\mathrm{R}}_4}=\frac{1}{\text{2π×131.0}44\text{kHz×75kΩ}}=16.194\mathrm{pF}\approx 15\mathrm{pF} (\mathrm{Standard} \mathrm{value})$
9. 20Hz での許容される偏差に従い、低周波数のコーナー周波数を計算します。次の式で、G_pole2 は 周波数 f で各極が寄与するゲインです。2 つの極があるため、2 で割ります。
   ${\text{f}}_{\mathrm{c}}=\mathrm{f}\times \sqrt{{\left(\frac{1}{\mathrm{G}\_\mathrm{pole}2}\right)}^2-1}=20\mathrm{Hz}\times \sqrt{{\left(\frac{1}{{10}^{\frac{\text{-0.5}/2}{20}}}\right)}^2-1}=4.868\mathrm{Hz}$
10. 8 で計算したカットオフ周波数に基づき、入力コンデンサ C₁ を計算します。
    ${\text{C}}_1=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_1\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times \text{5.9kΩ}\times \text{4.868}\mathrm{Hz}}=5.541\mathrm{\mu F}\approx 4.7\mathrm{\mu F} (\mathrm{Standard} \mathrm{value})$
11. 出力負荷 R₅ は 10kΩ と仮定して、8 で計算したカットオフ周波数に基づき、出力コンデンサ C₄ を計算します。
    ${\text{C}}_4=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_5\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times 10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }\times \text{4.868}\mathrm{Hz}}=3.269\mathrm{\mu F}\approx 3.3\mathrm{\mu F} (\mathrm{Standard} \mathrm{value})$
12. アンプの入力同相電圧を、電源電圧の 1/2 に設定します。R₂ と R₃ には 100kΩ を選択します。等価抵抗は、2 つの抵抗の並列接続と等しくなります。
    ${\text{R}}_{\mathrm{eq}}={\mathrm{R}}_2\left|\left|{\mathrm{R}}_3=100\mathrm{k}\mathrm{\Omega }\right|\right|100\mathrm{k}\mathrm{\Omega }=50\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
13. 電源および抵抗のノイズをフィルタ処理するため、コンデンサ C₂ を計算します。カットオフ周波数を 1Hz に設定します。

設計シミュレーション

AC シミュレーション結果

過渡シミュレーション結果

入力電圧は、マイクロフォンへの入力信号の SPL を表します。2V_rms の入力信号は、2 パスカルを表します。

ノイズのシミュレーション結果

次のシミュレーション結果では、22kHz で 22.39µV_rms のノイズが現れています。帯域幅を 22kHz に設定したオーディオ アナライザで測定したノイズを表すため、22kHz の帯域幅でノイズを測定します。

参考資料

テキサス・インスツルメンツ、『TIA マイクロフォン アンプ回路』、SBOC526 シミュレーション

テキサス・インスツルメンツ、『TIPD181 単一電源、エレクトレット マイクロフォン用プリアンプ』、リファレンス デザイン

設計に使用されているオペアンプ

設計の代替オペアンプ