AMPLIFICATOR AUDIO MOSFET (Zgomot redus și câștig ridicat): 6 pași (cu imagini)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2025-01-23 15:04

Buna baieti!

Acest proiect este proiectarea și implementarea unui amplificator audio de mică putere utilizând MOSFET-uri. Designul este cât se poate de simplu, iar componentele sunt ușor disponibile. Scriu acest lucru instructiv, deoarece eu însumi am întâmpinat o mulțime de dificultăți în găsirea unor materiale utile cu privire la proiect și o metodă ușoară de implementare.

Sper că vă place să citiți instructivul și sunt sigur că vă va ajuta.

Pasul 1: Introducere

„Un amplificator de putere audio (sau amplificator de putere) este un amplificator electronic care întărește semnalele audio electronice inaudibile de mică putere, cum ar fi semnalul de la receptorul radio sau de la preluarea chitarei electrice la un nivel suficient de puternic pentru a conduce difuzoare sau căști.”

Aceasta include atât amplificatoare utilizate în sistemele audio de acasă, cât și amplificatoare pentru instrumente muzicale, cum ar fi amplificatoarele de chitară.

Amplificatorul audio a fost inventat în 1909 de Lee De Forest când a inventat tubul de vid triodic (sau „valve” în engleza britanică). Trioda a fost un dispozitiv cu trei terminale cu o rețea de control care poate modula fluxul de electroni din filament către placă. Amplificatorul de vid triodic a fost folosit pentru a produce primul radio AM. Amplificatoarele de putere audio timpurii se bazau pe tuburi vidate. În timp ce se utilizează amplificatoare pe zi cu tranzistoare, care sunt mai ușoare în greutate, mai fiabile și necesită mai puțină întreținere decât amplificatoarele cu tuburi. Aplicațiile pentru amplificatoare audio includ sisteme audio de acasă, sisteme de consolidare a sunetelor de concert și de teatru și sisteme de adresare publică. Placa de sunet dintr-un computer personal, fiecare sistem stereo și fiecare sistem home theater conține unul sau mai multe amplificatoare audio. Alte aplicații includ amplificatoare de instrumente, cum ar fi amplificatoare de chitară, radio mobil profesional și amator și produse portabile de consum, cum ar fi jocuri și jucării pentru copii. Amplificatorul prezentat aici folosește mosfete pentru a atinge specificațiile dorite ale unui amplificator audio. Etapa de câștig și putere este utilizată în proiectare pentru a obține câștigul și lățimea de bandă necesare.

Pasul 2: Proiectarea și câteva etape importante ale amplificatorului

Specificațiile amplificatorului includ:

Putere de ieșire 0,5 W.

Lățime de bandă 100Hz-10KHz

CÂȘTIGAREA CIRCUITULUI: Primul obiectiv este de a obține un câștig considerabil de putere, care este suficient pentru a da un semnal audio fără zgomot la ieșirea prin difuzoare. Pentru a realiza acest lucru, amplificatorul a utilizat următoarele etape:

1. Etapa de câștig: Etapa de câștig folosește un circuit amplificator de MOSFET diferențiat de potențial. Circuitul polarizat al divizorului potențial este prezentat în figura 1.

Pur și simplu amplifică semnalul de intrare și produce câștig conform ecuației (1).

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

Aici, R1 și R2 sunt rezistențele de intrare, rs este rezistența sursei, RD este rezistența dintre tensiunea de polarizare și drenaj și RL este rezistența la sarcină.

gm este transconductanță, care este definită ca raportul dintre schimbarea curentului de scurgere și modificarea tensiunii porții.

Este dat ca

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

Pentru a produce câștigul dorit, trei circuite împărțite cu potențial divizor au fost în cascadă în serie, iar câștigul total este produsul câștigurilor etapelor individuale.

Câștig total = A1 * A2 * A3 (3)

Unde, A1, A2 și A3 sunt câștigurile din prima, a doua și, respectiv, a treia etapă.

Etapele sunt izolate unele de altele cu ajutorul condensatoarelor interconectate, care este cuplarea RC.

2. Etapa de putere: Un amplificator push pull este un amplificator care are un stadiu de ieșire care poate conduce un curent în ambele direcții prin sarcină.

Etapa de ieșire a unui amplificator tipic push pull constă din două BJT-uri sau MOSFET-uri identice, un curent de aprovizionare prin sarcină în timp ce celălalt scufundă curentul din sarcină. Amplificatoarele push pull sunt superioare amplificatoarelor cu un singur capăt (folosind un singur tranzistor la ieșire pentru a conduce sarcina) în ceea ce privește distorsiunea și performanța. Un amplificator cu un singur capăt, cât de bine poate fi proiectat, va introduce cu siguranță o anumită distorsiune datorită neliniarității caracteristicilor sale de transfer dinamic.

Amplificatoarele push pull sunt utilizate în mod obișnuit în situații în care sunt necesare distorsiuni reduse, eficiență ridicată și putere mare de ieșire.

Funcționarea de bază a unui amplificator push pull este după cum urmează:

"Semnalul care urmează să fie amplificat este mai întâi împărțit în două semnale identice la 180 ° defazate. În general, această împărțire se face folosind un transformator de cuplare de intrare. Transformatorul de cuplare de intrare este astfel aranjat încât un semnal să fie aplicat la intrarea unui tranzistor și alt semnal este aplicat la intrarea celuilalt tranzistor."

Avantajele amplificatorului push pull sunt distorsiunea redusă, absența saturației magnetice în nucleul transformatorului de cuplare și anularea undelor de alimentare, ceea ce duce la absența zumzetului, în timp ce dezavantajele sunt necesitatea a doi tranzistori identici și cerința de cuplare voluminoasă și costisitoare. transformatoare. O etapă de creștere a puterii a fost în cascadă ca etapă finală a circuitului amplificatorului audio.

RĂSPUNSUL DE FRECVENȚĂ AL CIRCUITULUI:

Capacitatea joacă un rol dominant în modelarea timpului și a răspunsului în frecvență al circuitelor electronice moderne. O investigație experimentală aprofundată și aprofundată a fost efectuată rolul diferiților condensatori în circuitul amplificator MOSFET cu semnal mic.

Un accent deosebit a fost acordat abordării problemelor de bază care implică capacități în amplificatoarele MOSFET, mai degrabă decât modificarea designului. Pentru experiment au fost utilizate trei MOSFET-uri cu îmbunătățire n-canal (model 2N7000, denumite în continuare MOS-1, MOS-2 și MOS-3) fabricate de Motorola Inc. Studiul a descoperit câteva caracteristici noi importante ale amplificatoarelor. Aceasta indică faptul că în proiectarea amplificatoarelor MOS cu semnal mic, nu ar trebui să se ia niciodată de la sine înțeles că condensatoarele de cuplare și bypass acționează ca un scurtcircuit și nu au niciun efect asupra tensiunilor de intrare și ieșire ca. De fapt, ele contribuie la nivelurile de tensiune observate atât la intrarea cât și la portul de ieșire al amplificatorului. Atunci când sunt alese în mod judicios pentru operațiile de cuplare și bypass, acestea dictează câștigul real de tensiune al amplificatorului la diferite frecvențe ale semnalului de intrare.

Frecvențele de tăiere inferioare sunt guvernate de valorile condensatorilor de cuplare și de bypass, în timp ce tăierea superioară este rezultatul capacității de șuntare. Această capacitate de șunt este capacitatea rătăcită prezentă între joncțiunile tranzistorului.

Capacitatea este dată de formulă.

C = (Suprafață * Ebsilon) / distanță (4)

Valoarea condensatoarelor este aleasă astfel încât lățimea de bandă de ieșire să fie între 100-10KHz și semnalul de deasupra și de sub această frecvență să fie atenuat.

Cifre:

Figura.1 Circuitul MOSFET polarizat cu divizorul potențial

Figura.2 Circuitul amplificatorului de putere folosind BJT

Figura.3 Răspunsul în frecvență al MOSFET

Pasul 3: Implementare software și hardware

Circuitul a fost proiectat și simulat pe software-ul PROTEUS așa cum se arată în figura 4. Același circuit a fost implementat pe PCB și au fost utilizate aceleași componente.

Toate rezistențele sunt nominalizate pentru 1 watt și condensatoarele pentru 50 de volți pentru a evita deteriorarea.

Lista componentelor utilizate este listată mai jos:

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 uF

C6, C7 = 1,5 uF

Q1, Q2, Q3 = 2N7000

Q4 = TIP122

Q5 = TIP127

Circuitul constă pur și simplu în trei trepte de câștig conectate în cascadă.

Etapele de câștig sunt conectate prin cuplare RC. Cuplarea RC este cea mai utilizată metodă de cuplare la amplificatoarele cu mai multe etape. În acest caz, Rezistența R este rezistorul conectat la terminalul sursă și condensatorul C este conectat între amplificatoare. Este, de asemenea, numit condensator de blocare, deoarece va bloca tensiunea continuă. Intrarea după trecerea prin aceste etape ajunge la stadiul de putere. Etapa de putere utilizează tranzistoare BJT (un npn și unul pnp). Difuzorul este conectat la ieșirea acestei etape și obținem un semnal audio amplificat. Semnalul dat circuitului pentru simulare este 10mV undă sin și ieșirea la difuzor este 2,72 V undă sin.

CIFRE:

Figura.4 Circuitul PROTEUS

Figura.5 Etapa de câștig

Figura.6 Etapa de alimentare

Figura.7 Ieșirea etapei de câștig 1 (Câștig = 7)

Figura 8 Ieșirea etapei de câștig 2 (Câștig = 6,92)

Figura 9 Ieșirea etapei de câștig 3 (Câștig = 6,35)

Figura.10 Ieșirea a trei etape de câștig (câștig total = 308)

Figura.11 Ieșire la difuzor

Pasul 4: PLANIFICARE PCB

Circuitul prezentat în Figura 4 a fost implementat pe PCB.

Mai sus sunt câteva fragmente ale proiectării software a PCB-ului

CIFRE:

Figura.12 Aspect PCB

Figura 13 Aspect PCB (pdf)

Figura.14 Vizualizare 3D (VEDERE SUPLIMENTARĂ)

Figura.15 Vizualizare 3D (VEDERE BOTTOM)

Figura 16 Hardware (BOTTOM VIEW) Vizualizare de sus deja prezentă în prima imagine

Pasul 5: Concluzie

Folosind câștigul ridicat și impedanța mare de intrare a MOSFET-urilor cu canal scurt, a fost conceput un circuit simplu pentru a oferi o unitate suficientă pentru amplificatoare de ieșire de până la 0,5 wați.

Oferă performanțe care îndeplinesc criteriile de reproducere audio de înaltă calitate. Aplicațiile importante includ sisteme de adresare publică, sisteme de consolidare a sunetului teatral și de concert și sisteme domestice, cum ar fi sistem stereo sau home-theater.

Amplificatoarele de instrumente, inclusiv amplificatoarele de chitară și amplificatoarele electrice cu tastatură, folosesc și amplificatoare audio.

Pasul 6: Mulțumiri speciale

Mulțumesc în special prietenilor care m-au ajutat în realizarea rezultatelor acestui proiect.

Sper că ți-a plăcut acest lucru instructabil. Pentru orice ajutor, mi-ar plăcea să comentați.

Rămâi binecuvântat. Te văd:)

Tahir Ul Haq, EE DEPT, UET

Lahore, Pakistan