AMPLIFICADOR Àudio MOSFET (baix soroll i alt guany): 6 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:16

Hola nois!

Aquest projecte consisteix en el disseny i implementació d’un amplificador d’àudio de baixa potència mitjançant MOSFET. El disseny és tan senzill com podria ser i els components estan fàcilment disponibles. Estic escrivint aquest instructiu ja que jo mateix vaig experimentar moltes dificultats per trobar material útil sobre el projecte i un mètode fàcil per a la implementació.

Espero que gaudiu llegint allò instructiu i estic segur que us ajudarà.

Pas 1: Introducció

"Un amplificador de potència d'àudio (o amplificador de potència) és un amplificador electrònic que enforteix els senyals d'àudio electrònics inaudibles de baixa potència, com ara el senyal del receptor de ràdio o la captació de guitarra elèctrica, fins a un nivell prou fort per conduir altaveus o auriculars."

Això inclou tant amplificadors que s’utilitzen en sistemes d’àudio domèstics com amplificadors d’instruments musicals com els amplificadors de guitarra.

L'amplificador d'àudio va ser inventat el 1909 per Lee De Forest quan va inventar el tub de buit triode (o "valve" en anglès britànic). El triode era un dispositiu de tres terminals amb una xarxa de control que pot modular el flux d’electrons del filament a la placa. L’amplificador de buit triode es va utilitzar per fer la primera ràdio AM. Els primers amplificadors de potència d'àudio es basaven en tubs de buit. Mentre que s’utilitzen actualment amplificadors basats en transistors que són més lleugers, més fiables i requereixen menys manteniment que els amplificadors de tubs. Les aplicacions per a amplificadors d’àudio inclouen sistemes d’àudio domèstics, sistemes de reforç de so i concerts i sistemes de megafonia. La targeta de so d'un ordinador personal, cada sistema estèreo i cada sistema de cinema a casa conté un o diversos amplificadors d'àudio. Altres aplicacions inclouen amplificadors d’instruments, com ara amplificadors de guitarra, ràdio mòbil professional i amateur i productes de consum portàtils, com ara jocs i joguines per a nens. L’amplificador presentat aquí utilitza mosquetes per aconseguir les especificacions desitjades d’un amplificador d’àudio. L’etapa de guany i potència s’utilitza en el disseny per aconseguir el guany i l’amplada de banda requerits.

Pas 2: dissenyar i algunes etapes importants de l'amplificador

Les especificacions de l'amplificador inclouen:

Potència de sortida 0,5 W.

Amplada de banda 100Hz-10KHz

GUANY DEL CIRCUIT: El primer objectiu és aconseguir un guany de potència considerable que sigui suficient per donar un senyal d'àudio lliure de soroll a la sortida a través dels altaveus. Per aconseguir-ho, es van emprar les següents etapes a l'amplificador:

1. Etapa de guany: l’etapa de guany utilitza un circuit amplificador de mosfet esbiaixat de divisor de potencial. El circuit polaritzat del divisor de potencial es mostra a la figura 1.

Simplement amplifica el senyal d’entrada i produeix guany segons l’equació (1).

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

Aquí, R1 i R2 són les resistències d’entrada, rs és la resistència de la font, RD és la resistència entre el voltatge de biaix i el drenatge i RL és la resistència de càrrega.

gm és la transconductància que es defineix com la proporció del canvi del corrent de drenatge al canvi de la tensió de la porta.

Es dóna com

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

Per produir el guany desitjat es van dividir en cascada tres circuits esbiaixats de divisor potencial i el guany total és el producte dels guanys de les etapes individuals.

Guany total = A1 * A2 * A3 (3)

On, A1, A2 i A3 són els guanys de la primera, segona i tercera etapa respectivament.

Les etapes estan aïllades les unes de les altres amb l'ajut de condensadors interconnectats que són l'acoblament RC.

2. Etapa de potència: un amplificador push pull és un amplificador que té una etapa de sortida que pot conduir un corrent en qualsevol direcció a través de la càrrega.

L'etapa de sortida d'un típic amplificador push pull consisteix en dos BJT o MOSFET idèntics, un de corrent de subministrament a través de la càrrega mentre que l'altre enfonsa el corrent de la càrrega. Els amplificadors push pull són superiors als d'amplificadors de punta simple (amb un transistor únic a la sortida per conduir la càrrega) en termes de distorsió i rendiment. Un amplificador d’un sol extrem, el bé que es pot dissenyar, segurament introduirà una certa distorsió a causa de la no linealitat de les seves característiques de transferència dinàmica.

Els amplificadors push pull s’utilitzen habitualment en situacions en què es requereix una baixa distorsió, alta eficiència i alta potència de sortida.

El funcionament bàsic d’un amplificador push pull és el següent:

"El senyal a amplificar es divideix primer en dos senyals idèntics desfasats a 180 °. Generalment, aquesta divisió es fa mitjançant un transformador d’acoblament d’entrada. El transformador d’acoblament d’entrada està disposat de manera que s’aplica un senyal a l’entrada d’un transistor i al un altre senyal s'aplica a l'entrada de l'altre transistor."

Els avantatges de l’amplificador push pull són la baixa distorsió, l’absència de saturació magnètica al nucli del transformador d’acoblament i l’anul·lació de les ondulacions de la font d’alimentació, cosa que provoca l’absència de brunzit, mentre que els desavantatges són la necessitat de dos transistors idèntics i el requisit d’un acoblament voluminós i costós. transformadors. Una etapa de guany de potència es va convertir en cascada com a etapa final del circuit amplificador d'àudio.

RESPOSTA DE FREQÜÈNCIA DEL CIRCUIT:

La capacitància té un paper dominant en la configuració del temps i la resposta en freqüència dels circuits electrònics moderns. S'ha dut a terme una investigació experimental extensa i profunda sobre el paper de diversos condensadors en un circuit amplificador MOSFET de senyal petit.

S'ha donat especial èmfasi a abordar qüestions bàsiques que impliquen capacitats en amplificadors MOSFET, en lloc de modificar el disseny. Per a l’experiment s’han utilitzat tres MOSFET de millora diferents de canal n (model 2N7000, denominats en endavant MOS-1, MOS-2 i MOS-3) fabricats per Motorola Inc. L’estudi va descobrir diverses novetats importants dels amplificadors. Indica que en el disseny d’amplificadors MOS de senyal petit, mai s’hauria de donar per fet que els condensadors d’acoblament i derivació actuen com a curtcircuit i no tenen cap efecte sobre les tensions d’entrada i sortida de corrent altern. De fet, contribueixen als nivells de tensió vistos tant a l’entrada com al port de sortida de l’amplificador. Quan s’escullen amb criteri per a les operacions d’acoblament i bypass, dicten el guany de tensió real de l’amplificador a diverses freqüències del senyal d’entrada.

Les freqüències de tall inferiors es regeixen pels valors dels condensadors d’acoblament i derivació, mentre que el tall superior és el resultat de la capacitat de derivació. Aquesta capacitat de derivació és la capacitat perduda present entre les unions del transistor.

La capacitància ve donada per la fórmula.

C = (Àrea * Ebsilon) / distància (4)

El valor dels condensadors es tria de manera que l’amplada de banda de sortida estigui entre 100-10 KHz i el senyal per sobre i per sota d’aquesta freqüència quedi atenuada.

Xifres:

Figura.1 Circuit MOSFET esbiaixat del divisor potencial

Figura.2 Circuit d'amplificador de potència mitjançant BJT

Figura.3 Resposta de freqüència de MOSFET

Pas 3: Implementació de programari i maquinari

El circuit es va dissenyar i simular amb el programari PROTEUS tal com es mostra a la figura 4. Es va implementar el mateix circuit a la PCB i es van utilitzar els mateixos components.

Totes les resistències tenen una potència d’1 watt i uns condensadors de 50 volts per evitar danys.

A continuació es mostra la llista de components utilitzats:

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

Q4 = TIP122

Q5 = TIP127

El circuit consisteix simplement en tres etapes de guany connectades en cascada.

Les etapes de guany es connecten mitjançant l'acoblament RC. L’acoblament RC és el mètode d’acoblament més utilitzat en amplificadors de diverses etapes. En aquest cas, la Resistència R és la resistència connectada al terminal font i el condensador C està connectat entre els amplificadors. També s’anomena condensador de bloqueig, ja que bloquejarà la tensió de corrent continu. L'entrada després de passar per aquestes etapes arriba a la fase de potència. L'etapa de potència utilitza transistors BJT (un npn i un pnp). L'altaveu està connectat a la sortida d'aquesta etapa i obtenim un senyal d'àudio amplificat. El senyal donat al circuit per a la simulació és d'ona sinal de 10 mV i la sortida a l'altaveu és d'ona sinusal de 2,72 V.

XIFRES:

Figura.4 Circuit PROTEUS

Figura.5 Etapa de guany

Figura.6 Etapa elèctrica

Figura.7 Resultat de l’etapa de guany 1 (Guany = 7)

Figura 8 Sortida de la fase de guany 2 (Guany = 6,92)

Figura 9 Sortida de la fase de guany 3 (Guany = 6,35)

Figura.10 Sortida de tres etapes de guany (guany total = 308)

Figura.11 Sortida a l'altaveu

Pas 4: DISPOSICIÓ DE PCB

El circuit mostrat a la figura 4 es va implementar al PCB.

A la part superior es mostren alguns fragments del disseny de programari del PCB

XIFRES:

Figura.12 Disseny del PCB

Figura 13 Disseny del PCB (pdf)

Figura 14 Vista 3D (VISTA SUPERIOR)

Figura 15 Vista 3D (VISTA INFERIOR)

Figura 16 Maquinari (VISTA INFERIOR) Vista superior ja present a la primera imatge

Pas 5: Conclusió

Utilitzant l’elevat guany i la impedància d’entrada dels MOSFET de potència de canal curt, s’ha dissenyat un circuit senzill per proporcionar un disc suficient per a amplificadors de sortida de fins a 0,5 watts.

Ofereix un rendiment que compleix els criteris de reproducció d’àudio d’alta qualitat. Les aplicacions importants inclouen sistemes de megafonia, sistemes de reforç de so teatral i de concert i sistemes domèstics com estèreo o sistema de cinema a casa.

Els amplificadors d’instruments que inclouen amplificadors de guitarra i amplificadors de teclat elèctrics també utilitzen amplificadors d’àudio.

Pas 6: gràcies especials

Agraeixo especialment als amics que m’han ajudat a aconseguir els resultats d’aquest projecte.

Espero que us hagi agradat aquest instructiu. Per a qualsevol ajuda, m'encantaria que comentés.

Estigueu beneïts. Ens veiem:)

Tahir Ul Haq, EE DEPT, UET

Lahore, Pakistan