MOSFET АУДИО УСИЛИТЕЛ (нисък шум и високо усилване): 6 стъпки (със снимки)

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2025-01-23 14:36

Здравейте момчета!

Този проект е проектирането и внедряването на аудио усилвател с ниска мощност, използващ MOSFET. Дизайнът е толкова прост, колкото може да бъде, а компонентите са лесно достъпни. Пиша тази инструкция, тъй като аз самият изпитах много трудности при намирането на полезен материал относно проекта и лесен метод за изпълнението.

Надявам се да ви хареса да прочетете инструкциите и съм сигурен, че ще ви помогне.

Стъпка 1: Въведение

„Усилвател на аудио мощност (или усилвател на мощност) е електронен усилвател, който засилва нечути електронни аудиосигнали с ниска мощност, като например сигнала от радиоприемник или пикап на електрическа китара до ниво, достатъчно силно за шофиране на високоговорители или слушалки.“

Това включва както усилватели, използвани в домашните аудиосистеми, така и усилватели на музикални инструменти като усилватели за китара.

Аудиоусилвателят е изобретен през 1909 г. от Лий Де Форест, когато той изобретява триодната вакуумна тръба (или "вентил" на британски английски). Триодът е три терминално устройство с контролна решетка, която може да модулира потока от електрони от нишката до плочата. Триодният вакуумен усилвател е използван за направата на първото AM радио. Ранните усилватели на аудио мощност бяха базирани на вакуумни лампи. Като се има предвид, че сега се използват транзисторни усилватели, които са по-леки, по-надеждни и изискват по-малко поддръжка от ламповите усилватели. Приложенията за аудио усилватели включват домашни аудио системи, концертни и театрални звукови усилватели и системи за озвучаване. Звуковата карта в персонален компютър, всяка стерео система и всяка система за домашно кино съдържа един или няколко аудио усилвателя. Други приложения включват инструментални усилватели като усилватели за китара, професионално и любителско мобилно радио и преносими потребителски продукти като игри и детски играчки. Представеният тук усилвател използва MOSFET за постигане на желаните спецификации на аудио усилвател. При проектирането се използва етап на усилване и мощност, за да се постигне необходимата печалба и честотна лента.

Стъпка 2: Проектиране и някои важни етапи на усилвателя

Спецификациите на усилвателя включват:

Изходна мощност 0,5 W.

Пропускателна способност 100Hz-10KHz

ПЕЧЕЛЯНЕ НА КРЪГА: Първата цел е да се постигне значително увеличение на мощността, което е достатъчно, за да се даде безшумен аудио сигнал на изхода през високоговорителите. За да се постигне това, в усилвателя бяха използвани следните етапи:

1. Степен на усилване: Степента на усилване използва усилвател с усилвател MOSFET с потенциален делител. Схемата с отклонение на потенциалния делител е показана на фигура 1.

Той просто усилва входния сигнал и генерира печалба според уравнението (1).

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

Тук R1 и R2 са входните съпротивления, rs е съпротивлението на източника, RD е съпротивлението между напрежението на отклонение и дренажа и RL е съпротивлението на товара.

gm е транспроводимост, която се определя като съотношението на промяната на тока на източване към промяната на напрежението на портата.

Дадено е като

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

За да се получи желаното усилване, три последователно отклонени потенциални делители са каскадно последователно и общото усилване е продукт на печалбите на отделните етапи.

Общо усилване = A1*A2*A3 (3)

Където A1, A2 и A3 са печалбите съответно на първия, втория и третия етап.

Етапите са изолирани един от друг с помощта на взаимосвързани кондензатори, което е RC свързване.

2. Етап на захранване: Усилвател с издърпване е усилвател, който има изходен етап, който може да управлява ток във всяка посока през товара.

Изходният етап на типичен усилвател с издърпване се състои от два идентични BJT или MOSFET, един източник на ток през товара, докато другият потъва тока от товара. Усилвателите с издърпване са по -добри от усилвателите с единичен край (използвайки един транзистор на изхода за задвижване на товара) по отношение на изкривяване и производителност. Усилвателят с единичен край, колко добре може да бъде проектиран, със сигурност ще внесе известни изкривявания поради нелинейността на неговите характеристики на динамично прехвърляне.

Усилвателите с издърпване обикновено се използват в ситуации, при които се изискват ниско изкривяване, висока ефективност и висока изходна мощност.

Основната работа на усилвател с натискане е както следва:

"Сигналът, който трябва да се усили, първо се разделя на два идентични сигнала на 180 ° извън фазата. Обикновено това разделяне се извършва с помощта на входен свързващ трансформатор. Входният свързващ трансформатор е така подреден, че един сигнал се подава към входа на един транзистор и друг сигнал се подава към входа на другия транзистор."

Предимствата на усилвателя с издърпване са ниските изкривявания, липсата на магнитно насищане в сърцевината на свързващия трансформатор и анулирането на вълните на захранването, което води до липса на шум, докато недостатъците са необходимостта от два идентични транзистора и изискването за обемисто и скъпо свързване трансформатори. Етап на усилване на мощността беше каскаден като последен етап от веригата на аудио усилвателя.

ЧЕСТОТНА РЕАКЦИЯ НА ВЕРИГАТА:

Капацитетът играе доминираща роля при оформянето на времето и честотната характеристика на съвременните електронни схеми. Проведено е широко и задълбочено експериментално изследване на ролята на различни кондензатори в усилвателната верига на MOSFET с малък сигнал.

Особено внимание е отделено на решаването на основни въпроси, свързани с капацитетите в MOSFET усилватели, вместо на промяна на дизайна. Три различни подобряващи n-канала MOSFET (модел 2N7000, наричан по-долу MOS-1, MOS-2 и MOS-3), произведени от Motorola Inc., са използвани за експеримента. Изследването разкрива няколко важни нови функции на усилвателите. Това показва, че при проектирането на MOS усилватели с малък сигнал никога не трябва да се приема за даденост, че свързващите и байпасните кондензатори действат като късо съединение и нямат ефект върху променливотоковото входно и изходно напрежение. Всъщност те допринасят за нивата на напрежение, наблюдавани както на входния, така и на изходния порт на усилвателя. Когато са избрани разумно за операции на свързване и байпас, те диктуват действителното усилване на напрежението на усилвателя при различни честоти на входния сигнал.

Долните гранични честоти се определят от стойностите на свързващите и байпасните кондензатори, докато горната гранична честота е резултат от капацитета на шунта. Този шунтов капацитет е разсеяният капацитет, присъстващ между кръстовищата на транзистора.

Капацитетът е даден по формулата.

C = (площ * Ebsilon) / разстояние (4)

Стойността на кондензаторите е избрана така, че изходната честотна лента да е между 100-10KHz и сигналът над и под тази честота да бъде отслабен.

Цифри:

Фигура.1 Верига MOSFET с отклонение на потенциалния делител

Фигура.2 Верига на усилвател на мощност, използваща BJT

Фигура.3 Честотна характеристика на MOSFET

Стъпка 3: Внедряване на софтуер и хардуер

Веригата е проектирана и симулирана на софтуер PROTEUS, както е показано на фигура 4. Същата схема е внедрена на печатната платка и са използвани същите компоненти.

Всички резистори са с мощност 1 ват, а кондензаторите - 50 волта, за да се избегнат повреди.

Списъкът на използваните компоненти е изброен по -долу:

R1, R5, R9 = 1MΩ

R2, R6, R11 = 68 Ω

R3, R7, R10 = 230KΩ

R4, R8, R12 = 1KΩ

R13, R14 = 10KΩ

C1, C2, C3, C4, C5 = 4.7µF

С6, С7 = 1,5 μF

Q1, Q2, Q3 = 2N7000

Q4 = TIP122

Q5 = СЪВЕТ127

Веригата просто се състои от три етапа на усилване, свързани в каскада.

Степените на усилване са свързани чрез RC свързване. RC свързването е най -широко използваният метод за свързване в многостепенни усилватели. В този случай съпротивлението R е резисторът, свързан към терминала на източника, а кондензаторът C е свързан между усилвателите. Нарича се още блокиращ кондензатор, тъй като ще блокира DC напрежение. Входът след преминаване през тези етапи достига степента на захранване. Захранващият етап използва BJT транзистори (един npn и един pnp). Високоговорителят е свързан на изхода на този етап и получаваме усилен аудио сигнал. Сигналът, даден на веригата за симулация, е 10mV грешна вълна, а изходът на високоговорителя е 2.72 V грешна вълна.

ФИГУРИ:

Фигура.4 Схема PROTEUS

Фигура.5 Етап на усилване

Фигура.6 Етап на захранване

Фигура.7 Изход на усилване етап 1 (Gain = 7)

Фигура.8 Изход на усилване етап 2 (Gain = 6.92)

Фигура.9 Изход на усилване етап 3 (Gain = 6.35)

Фигура.10 Изход от три етапа на усилване (Общо усилване = 308)

Фигура.11 Изход към високоговорителя

Стъпка 4: РАЗПОЛОЖЕНИЕ на печатни платки

Веригата, показана на фигура 4, е реализирана на печатната платка.

По -горе са някои откъси от софтуерния дизайн на печатната платка

ФИГУРИ:

Фигура.12 Оформление на печатни платки

Фигура.13 Оформление на печатна платка (pdf)

Фигура 14 3D изглед (ТОП ВИЖ)

Фигура.15 3D изглед (BOTTOM VIEW)

Фигура 16 Хардуер (ДОЛНО ИЗГЛЕД) Изглед отгоре вече присъства на първото изображение

Стъпка 5: Заключение

Използвайки високата печалба и високия входен импеданс на MOSFET с къси канали, е разработена проста схема, която осигурява достатъчно задвижване за усилватели с мощност до 0,5 вата.

Той предлага изпълнение, което отговаря на критериите за висококачествено аудио възпроизвеждане. Важни приложения включват озвучителни системи, театрални и концертни системи за усилване на звука и битови системи като стерео или система за домашно кино.

Инструментните усилватели, включително китарни усилватели и електрически клавиатурни усилватели, също използват аудио усилватели.

Стъпка 6: Специални благодарности

Особено благодаря на приятелите, които ми помогнаха да постигна резултатите от този проект.

Надявам се да ви хареса тази инструкция. За всяка помощ, ще се радвам, ако коментирате.

Бъди благословен. Ще се видим:)

Тахир Ул Хак, EE DEPT, UET

Лахор, Пакистан