WZMACNIACZ AUDIO MOSFET (niski poziom hałasu i wysokie wzmocnienie): 6 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

Cześć chłopaki!

Ten projekt to zaprojektowanie i wykonanie wzmacniacza Low Power Audio z wykorzystaniem tranzystorów MOSFET. Projekt jest tak prosty, jak to tylko możliwe, a komponenty są łatwo dostępne. Piszę tę instrukcję, ponieważ sam doświadczyłem wielu trudności w znalezieniu przydatnych materiałów dotyczących projektu i łatwej metody wdrożenia.

Mam nadzieję, że spodoba ci się czytanie instrukcji i jestem pewien, że ci to pomoże.

Krok 1: Wprowadzenie

„Wzmacniacz mocy audio (lub wzmacniacz mocy) to wzmacniacz elektroniczny, który wzmacnia niesłyszalne elektroniczne sygnały audio o niskiej mocy, takie jak sygnał z odbiornika radiowego lub przetwornika gitary elektrycznej, do poziomu wystarczającego do napędzania głośników lub słuchawek”.

Obejmuje to zarówno wzmacniacze stosowane w domowych systemach audio, jak i wzmacniacze instrumentów muzycznych, takie jak wzmacniacze gitarowe.

Wzmacniacz audio został wynaleziony w 1909 roku przez Lee De Foresta, kiedy wynalazł lampę triodową (lub „zawór” w brytyjskim angielskim). Trioda była urządzeniem z trzema końcówkami z siatką kontrolną, która może modulować przepływ elektronów z żarnika do płytki. Triodowy wzmacniacz próżniowy został użyty do wykonania pierwszego radia AM. Wczesne wzmacniacze mocy audio były oparte na lampach próżniowych. Podczas gdy obecnie stosowane są wzmacniacze tranzystorowe, które są lżejsze, bardziej niezawodne i wymagają mniej konserwacji niż wzmacniacze lampowe. Zastosowania wzmacniaczy audio obejmują domowe systemy audio, nagłośnienie koncertowe i teatralne oraz systemy nagłośnieniowe. Karta dźwiękowa w komputerze osobistym, każdy system stereo i każdy system kina domowego zawiera jeden lub kilka wzmacniaczy audio. Inne zastosowania obejmują wzmacniacze instrumentów, takie jak wzmacniacze gitarowe, profesjonalne i amatorskie radio mobilne oraz przenośne produkty konsumenckie, takie jak gry i zabawki dla dzieci. Prezentowany tutaj wzmacniacz wykorzystuje mosfety, aby osiągnąć pożądane parametry wzmacniacza audio. W projekcie zastosowano stopień wzmocnienia i mocy, aby osiągnąć wymagane wzmocnienie i przepustowość.

Krok 2: Projekt i kilka ważnych etapów wzmacniacza

Specyfikacje wzmacniacza obejmują:

Moc wyjściowa 0,5 W.

Pasmo 100Hz-10KHz

WZMOCNIENIE OBWODU: Pierwszym celem jest uzyskanie znacznego wzmocnienia mocy, które jest wystarczające do wytworzenia sygnału audio bez szumów na wyjściu przez głośniki. W tym celu we wzmacniaczu zastosowano następujące etapy:

1. Stopień wzmocnienia: Stopień wzmocnienia wykorzystuje potencjalny obwód wzmacniacza mosfet z polaryzacją dzielnika. Obwód z polaryzacją potencjału dzielnika pokazano na rysunku 1.

Po prostu wzmacnia sygnał wejściowy i wytwarza wzmocnienie zgodnie z równaniem (1).

Zysk = [(R1 || R2)/ (rs+ R1 || R2)] * (-gm) * (rd || RD || RL) (1)

Tutaj R1 i R2 to rezystancje wejściowe, rs to rezystancja źródła, RD to rezystancja między napięciem polaryzacji a drenem, a RL to rezystancja obciążenia.

gm to transkonduktancja, która jest zdefiniowana jako stosunek zmiany prądu drenu do zmiany napięcia bramki.

Jest podany jako

gm = Delta (ID) / Delta (VGS) (2)

Aby uzyskać pożądane wzmocnienie, trzy obwody obciążone dzielnikiem potencjału zostały połączone szeregowo w kaskadę, a całkowite wzmocnienie jest iloczynem wzmocnień poszczególnych stopni.

Całkowity zysk = A1*A2*A3 (3)

Gdzie A1, A2 i A3 to odpowiednio zyski pierwszego, drugiego i trzeciego stopnia.

Stopnie są odizolowane od siebie za pomocą połączonych ze sobą kondensatorów, czyli sprzężenia RC.

2. Stopień mocy: Wzmacniacz push pull to wzmacniacz, który ma stopień wyjściowy, który może kierować prąd w dowolnym kierunku przez obciążenie.

Stopień wyjściowy typowego wzmacniacza push-pull składa się z dwóch identycznych tranzystorów BJT lub MOSFET, z których jeden dostarcza prąd przez obciążenie, a drugi pochłania prąd z obciążenia. Wzmacniacze push pull są lepsze od wzmacniaczy single-ended (używających pojedynczego tranzystora na wyjściu do napędzania obciążenia) pod względem zniekształceń i wydajności. Wzmacniacz single-ended, jak dobrze można go zaprojektować, z pewnością wprowadzi pewne zniekształcenia ze względu na nieliniowość jego dynamicznej charakterystyki przenoszenia.

Wzmacniacze push pull są powszechnie stosowane w sytuacjach, w których wymagane są niskie zniekształcenia, wysoka sprawność i wysoka moc wyjściowa.

Podstawowa obsługa wzmacniacza push pull wygląda następująco:

Sygnał, który ma zostać wzmocniony, jest najpierw dzielony na dwa identyczne sygnały 180° przesunięte w fazie. Generalnie ten podział jest wykonywany za pomocą wejściowego transformatora sprzęgającego. Wejściowy transformator sprzęgający jest tak rozmieszczony, że jeden sygnał jest podawany na wejście jednego tranzystora, a inny sygnał jest podawany na wejście drugiego tranzystora.”

Zaletami wzmacniacza push pull są niskie zniekształcenia, brak nasycenia magnetycznego w rdzeniu transformatora sprzęgającego oraz eliminacja tętnień zasilania, co skutkuje brakiem przydźwięku, natomiast wadami są konieczność stosowania dwóch identycznych tranzystorów oraz konieczność dużego i kosztownego sprzęgania transformatory. Stopień wzmocnienia mocy został kaskadowany jako ostatni stopień obwodu wzmacniacza audio.

ODPOWIEDŹ CZĘSTOTLIWOŚCI OBWODU:

Pojemność odgrywa dominującą rolę w kształtowaniu odpowiedzi czasowej i częstotliwościowej nowoczesnych obwodów elektronicznych. Przeprowadzono obszerne i dogłębne badania eksperymentalne roli różnych kondensatorów w małosygnałowym obwodzie wzmacniacza MOSFET.

Szczególny nacisk położono na rozwiązanie podstawowych kwestii związanych z pojemnościami we wzmacniaczach MOSFET, a nie na modyfikację projektu. W eksperymencie użyto trzech różnych wzmocnień n-kanałowych tranzystorów MOSFET (model 2N7000, określany dalej jako MOS-1, MOS-2 i MOS-3) wyprodukowany przez firmę Motorola Inc. Badanie odkrywa kilka ważnych nowych funkcji wzmacniaczy. Wskazuje, że przy projektowaniu małosygnałowych wzmacniaczy MOS nigdy nie należy przyjmować za pewnik, że kondensatory sprzęgające i obejściowe działają jak zwarcie i nie mają wpływu na napięcia wejściowe i wyjściowe prądu przemiennego. W rzeczywistości przyczyniają się one do poziomów napięcia widocznych zarówno na wejściu, jak i na wyjściu wzmacniacza. Rozsądnie dobrane do operacji sprzęgania i bocznikowania dyktują rzeczywiste wzmocnienie napięciowe wzmacniacza przy różnych częstotliwościach sygnału wejściowego.

Dolne częstotliwości odcięcia są regulowane przez wartości kondensatorów sprzęgających i bocznikujących, natomiast górne odcięcie jest wynikiem pojemności bocznikowej. Ta pojemność bocznikowa jest pojemnością rozproszoną występującą między złączami tranzystora.

Pojemność wyrażona jest wzorem.

C = (Powierzchnia * Ebsilon) / odległość (4)

Wartość kondensatorów dobiera się tak, aby pasmo wyjściowe mieściło się w zakresie od 100 do 10 kHz, a sygnał powyżej i poniżej tej częstotliwości jest tłumiony.

Dane liczbowe:

Rysunek 1 Obwód MOSFET z polaryzacją dzielnika potencjału

Rysunek 2 Obwód wzmacniacza mocy wykorzystujący BJT

Rysunek 3 Odpowiedź częstotliwościowa MOSFET

Krok 3: Implementacja oprogramowania i sprzętu

Układ został zaprojektowany i zasymulowany w oprogramowaniu PROTEUS, jak pokazano na rysunku 4. Ten sam układ został zaimplementowany na płytce drukowanej i zastosowano te same komponenty.

Wszystkie rezystory są oceniane na 1 W, a kondensatory na 50 V, aby uniknąć uszkodzenia.

Lista użytych komponentów znajduje się poniżej:

R1, R5, R9 = 1MΩ

R2, R6, R11 = 68Ω

R3, R7, R10 = 230KΩ

R4, R8, R12 = 1KΩ

R13, R14 = 10KΩ

C1, C2, C3, C4, C5 = 4,7 µF

C6, C7 = 1,5 µF

Q1, Q2, Q3 = 2N7000

P4 = WSKAZÓWKA 122

P5 = WSKAZÓWKA127

Obwód składa się po prostu z trzech stopni wzmocnienia połączonych kaskadowo.

Stopnie wzmocnienia są połączone przez sprzężenie RC. Sprzężenie RC jest najczęściej stosowaną metodą sprzężenia we wzmacniaczach wielostopniowych. W tym przypadku rezystancja R jest rezystorem podłączonym do zacisku źródłowego, a kondensator C jest podłączony między wzmacniaczami. Nazywany jest również kondensatorem blokującym, ponieważ blokuje napięcie prądu stałego. Wejście po przejściu przez te etapy dociera do stopnia mocy. Stopień mocy wykorzystuje tranzystory BJT (jeden npn i jeden pnp). Na wyjściu tego stopnia podłączony jest głośnik i otrzymujemy wzmocniony sygnał audio. Sygnał podawany do układu do symulacji to fala sinusoidalna 10mV, a na wyjściu na głośniku fala sinusoidalna 2,72V.

RYSUNKI:

Rysunek 4 Obwód PROTEUS

Rysunek 5 Etap wzmocnienia

Rysunek 6 Stopień mocy

Rysunek 7 Wyjście stopnia wzmocnienia 1 (wzmocnienie = 7)

Rysunek 8 Wyjście stopnia wzmocnienia 2 (wzmocnienie = 6,92)

Rysunek 9 Wyjście stopnia wzmocnienia 3 (wzmocnienie = 6,35)

Rysunek 10 Wyjście trzech stopni wzmocnienia (Całkowite wzmocnienie = 308)

Rysunek 11 Wyjście na głośniku

Krok 4: UKŁAD PCB

Układ pokazany na rysunku 4 został zaimplementowany na płytce drukowanej.

Powyżej znajduje się kilka fragmentów projektu oprogramowania PCB

RYSUNKI:

Rys.12 Układ PCB

Rys.13 Układ PCB (pdf)

Rysunek 14 Widok 3D (WIDOK Z GÓRY)

Rysunek 15. Widok 3D (WIDOK Z DOŁU)

Rysunek 16 Sprzęt (WIDOK Z DOŁU) Widok z góry już obecny na pierwszym obrazie

Krok 5: Wniosek

Wykorzystując wysokie wzmocnienie i wysoką impedancję wejściową tranzystorów MOSFET o mocy krótkiego kanału, opracowano prosty obwód, aby zapewnić wystarczającą moc dla wzmacniaczy o mocy wyjściowej do 0,5 W.

Oferuje wydajność, która spełnia kryteria wysokiej jakości odtwarzania dźwięku. Do ważnych zastosowań należą systemy nagłośnieniowe, systemy nagłośnienia teatrów i koncertów oraz systemy domowe, takie jak systemy stereo lub kina domowego.

Wzmacniacze instrumentalne, w tym wzmacniacze gitarowe i elektryczne wzmacniacze keyboardowe, również wykorzystują wzmacniacze audio.

Krok 6: Specjalne podziękowania

Szczególnie dziękuję przyjaciołom, którzy pomogli mi w osiągnięciu rezultatów tego projektu.

Mam nadzieję, że podobało ci się to pouczenie. Za wszelką pomoc, chciałbym, jeśli skomentujesz.

Bądź błogosławiony. Do zobaczenia:)

Tahir Ul Haq, DZIAŁ EE, UET

Lahore, Pakistan