MOSFET AUDIO AMPLIFIER (Lav støj og høj forstærkning): 6 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

Hej gutter!

Dette projekt er design og implementering af en Low Power Audio -forstærker ved hjælp af MOSFET'er. Designet er så enkelt som det kunne være, og komponenterne er let tilgængelige. Jeg skriver dette instruerbart, da jeg selv havde mange problemer med at finde noget nyttigt materiale om projektet og en let metode til implementering.

Håber du nyder at læse det instruerbare, og jeg er sikker på, at det vil hjælpe dig.

Trin 1: Introduktion

"En lydforstærker (eller effektforstærker) er en elektronisk forstærker, der styrker laveffekt, uhørlige elektroniske lydsignaler såsom signalet fra radiomodtager eller elektrisk guitaroptagelse til et niveau, der er stærkt nok til at køre højttalere eller hovedtelefoner."

Dette omfatter både forstærkere, der bruges i hjemmelydsystemer og musikinstrumentforstærkere som guitarforstærkere.

Lydforstærkeren blev opfundet i 1909 af Lee De Forest, da han opfandt triode -vakuumrøret (eller "ventil" på britisk engelsk). Trioden var en treterminalenhed med et kontrolgitter, der kan modulere strømmen af elektroner fra filamentet til pladen. Triode -vakuumforstærkeren blev brugt til at lave den første AM -radio. Tidlige lydforstærkere var baseret på vakuumrør. Hvorimod der nu bruges transistorbaserede forstærkere, der er lettere i vægt, mere pålidelige og kræver mindre vedligeholdelse end rørforstærkere. Ansøgninger til lydforstærkere omfatter hjemmelydsystemer, koncert- og teatralsk forstærkning og højttalersystemer. Lydkortet i en personlig computer, hvert stereoanlæg og hvert hjemmebiografsystem indeholder en eller flere lydforstærkere. Andre applikationer omfatter instrumentforstærkere såsom guitarforstærkere, professionel og amatørmobil radio og bærbare forbrugerprodukter som spil og børns legetøj. Forstærkeren, der præsenteres her, bruger mosfets til at opnå de ønskede specifikationer for en lydforstærker. Gain og power -fase bruges i designet til at opnå den krævede gain og båndbredde.

Trin 2: Design og nogle vigtige forstærkerstadier

Forstærkerens specifikationer omfatter:

Udgangseffekt 0,5 W.

Båndbredde 100Hz-10KHz

KRAFTVINST: Det første mål er at opnå en betydelig effektforøgelse, der er tilstrækkelig til at give et støjfrit lydsignal ved udgangen gennem højttalere. For at opnå dette blev følgende trin anvendt i forstærkeren:

1. Gain Stage: Gain -stadiet anvender et potentielt divider -forspændt mosfet -forstærkerkredsløb. Det potentielle divider -forspændte kredsløb er vist i figur 1.

Det forstærker ganske enkelt indgangssignalet og producerer forstærkning i henhold til ligningen (1).

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

Her er R1 og R2 indgangsmodstandene, rs er kildemodstanden, RD er modstanden mellem forspænding og afløb, og RL er belastningsmodstanden.

gm er transkonduktans, der er defineret som forholdet mellem ændringen i afløbsstrøm og ændringen i portspænding.

Det er givet som

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

For at producere den ønskede forstærkning blev tre potentielle divider -forspændte kredsløb kaskader i serier, og den samlede forstærkning er et produkt af gevinsterne ved individuelle faser.

Samlet gevinst = A1*A2*A3 (3)

Hvor, A1, A2 og A3 er gevinster fra henholdsvis første, anden og tredje etape.

Trinene er isoleret fra hinanden ved hjælp af sammenkoblede kondensatorer, der er RC -kobling.

2. Power Stage: En push pull -forstærker er en forstærker, der har et output -trin, der kan drive en strøm i begge retninger gennem belastningen.

Udgangstrinnet for en typisk push pull -forstærker består af to identiske BJT'er eller MOSFET'er, den ene kommer strøm gennem belastningen, mens den anden synker strømmen fra belastningen. Push pull -forstærkere er bedre end single -end forstærkere (ved hjælp af en enkelt transistor ved udgangen til at drive belastningen) med hensyn til forvrængning og ydeevne. En enkelt forstærker, hvor godt den kan være designet, vil helt sikkert indføre en vis forvrængning på grund af ikke-lineariteten af dens dynamiske overførselsegenskaber.

Push pull -forstærkere bruges almindeligvis i situationer, hvor lav forvrængning, høj effektivitet og høj udgangseffekt er påkrævet.

Den grundlæggende betjening af en push pull -forstærker er som følger:

"Signalet, der skal forstærkes, deles først i to identiske signaler 180 ° ude af fase. Generelt sker denne opdeling ved hjælp af en inputkoblingstransformator. Inputkoblingstransformatoren er således arrangeret, at et signal påføres indgangen på en transistor og et andet signal tilføres indgangen til den anden transistor."

Fordele ved push pull -forstærker er lav forvrængning, fravær af magnetisk mætning i koblingstransformatorkernen og annullering af strømforsyningsripper, hvilket resulterer i fravær af brummen, mens ulemperne er behovet for to identiske transistorer og kravet om omfangsrig og kostbar kobling transformere. Et effektforøgelsestrin blev kaskaderet som det sidste trin i lydforstærkerkredsløbet.

FREKVENSANSVAR AF KREDSEN:

Kapacitans spiller en dominerende rolle i udformningen af tid og frekvensrespons af moderne elektroniske kredsløb. En omfattende og dybtgående eksperimentel undersøgelse er blevet udført af forskellige kondensatorers rolle i MOSFET-forstærkerkredsløb med lille signal.

Der er blevet lagt særlig vægt på at tage fat på grundlæggende spørgsmål vedrørende kapacitanser i MOSFET -forstærkere, frem for at ændre designet. Tre forskellige forbedrede n-kanal MOSFET'er (2N7000 model, i det følgende benævnt MOS-1, MOS-2 og MOS-3) fremstillet af Motorola Inc. er blevet brugt til eksperimentet. Undersøgelsen afdækker flere vigtige nye funktioner i forstærkerne. Det angiver, at det ved design af små-signal MOS-forstærkere aldrig skal tages for givet, at kobling og bypass-kondensatorer fungerer som kortslutning og ikke har nogen indvirkning på AC ind- og udgangsspændinger. Faktisk bidrager de til spændingsniveauerne, der ses ved både input og output port på forstærkeren. Når de vælges fornuftigt til koblings- og bypass -operationer, dikterer de den faktiske spændingsforstærkning af forstærkeren ved forskellige frekvenser af indgangssignal.

De lavere cut-off frekvenser styres af værdierne for kobling og bypass kondensatorer, mens den øvre cut-off er et resultat af shunt kapacitans. Denne shuntkapacitans er den omstrejfende kapacitans, der er til stede mellem transistorens kryds.

Kapacitansen er givet ved formlen.

C = (Område * Ebsilon) / afstand (4)

Værdien af kondensatorerne vælges således, at outputbåndbredden er mellem 100-10KHz og signalet over og under denne frekvens dæmpes.

Tal:

Figur.1 Potential Divider Biased MOSFET kredsløb

Figur.2 Effektforstærkerkredsløb ved hjælp af BJT

Figur.3 Frekvensrespons af MOSFET

Trin 3: Implementering af software og hardware

Kredsløbet blev designet og simuleret på PROTEUS -software som vist i figur 4. Det samme kredsløb blev implementeret på printkortet, og de samme komponenter blev brugt.

Alle modstande er klassificeret til 1 Watt og kondensatorer til 50 volt for at undgå skader.

Listen over anvendte komponenter er angivet herunder:

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

Kredsløbet består simpelthen af tre forstærkningstrin forbundet i kaskade.

Gain -trin er forbundet via RC -kobling. RC -kobling er den mest anvendte metode til kobling i flertrinsforstærkere. I dette tilfælde er modstanden R modstanden tilsluttet ved kildeterminalen, og kondensatoren C er forbundet mellem forstærkerne. Det kaldes også en blokerende kondensator, da det vil blokere jævnstrøm. Inputtet efter at have passeret gennem disse faser når effektfasen. Effektfasen anvender BJT -transistorer (en npn og en pnp). Højttaleren er tilsluttet ved udgangen af dette trin, og vi får et forstærket lydsignal. Signal givet til kredsløbet til simulering er 10mV sin bølge og output ved højttaleren er 2,72 V sin bølge.

FIGURER:

Figur.4 PROTEUS kredsløb

Figur.5 Gevinststadium

Figur.6 Power Stage

Figur.7 Output af forstærkningstrin 1 (Gain = 7)

Figur.8 Output af forstærkningstrin 2 (forstærkning = 6,92)

Figur.9 Output af forstærkningstrin 3 (forstærkning = 6,35)

Figur.10 Output af tre forstærkningstrin (total gevinst = 308)

Figur.11 Output ved højttaleren

Trin 4: PCB LAYOUT

Kredsløbet vist i figur 4 blev implementeret på printkortet.

Ovenfor er nogle uddrag af softwaredesignet af printkortet

FIGURER:

Figur.12 PCB -layout

Figur 13 PCB -layout (pdf)

Figur 14 3D -visning (TOP VIEW)

Figur.15 3D -visning (BUNDT VIEW)

Figur 16 Hardware (BUNDVISNING) Set ovenfra allerede i det første billede

Trin 5: Konklusion

Ved at udnytte den høje forstærkning og høje indgangsimpedans for MOSFET'er med kort kanaleffekt er et simpelt kredsløb designet til at tilvejebringe tilstrækkeligt drev til forstærkere op til 0,5 watt output.

Det tilbyder ydeevne, der opfylder kriterierne for lydgengivelse i høj kvalitet. Vigtige anvendelser omfatter højttalersystemer, teater- og koncertlydforstærkningssystemer og husholdningssystemer såsom stereoanlæg eller hjemmebiografsystem.

Instrumentforstærkere inklusive guitarforstærkere og elektriske tastaturforstærkere bruger også lydforstærkere.

Trin 6: Særlig tak

Jeg takker især de venner, der hjalp mig med at opnå resultaterne af dette projekt.

Jeg håber, at du nød dette instruerbare. For enhver hjælp, ville jeg elske, hvis du kommenterede.

Forbliv velsignet. Vi ses:)

Tahir Ul Haq, EE DEPT, UET

Lahore, Pakistan