MOSFET AUDIO OJAČEVALNIK (Nizek šum in visoko ojačanje): 6 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:08

Zdravo družba!

Ta projekt je zasnova in izvedba zvočnega ojačevalnika z nizko močjo z uporabo MOSFET -ov. Zasnova je čim bolj preprosta, komponente pa so lahko dostopne. Pišem to navodilo, saj sem tudi sam imel veliko težav pri iskanju koristnega gradiva o projektu in enostavni metodi za izvedbo.

Upam, da boste uživali v branju navodil in prepričan sem, da vam bo v pomoč.

1. korak: Uvod

"Zvočni ojačevalnik moči (ali ojačevalnik moči) je elektronski ojačevalnik, ki okrepi neslišne elektronske zvočne signale z nizko porabo energije, kot je signal iz radijskega sprejemnika ali prevzema električne kitare, na raven, ki je dovolj močna za vožnjo po zvočnikih ali slušalkah."

To vključuje tako ojačevalnike, ki se uporabljajo v domačih avdio sistemih, kot tudi ojačevalnike glasbenih instrumentov, kot so ojačevalniki za kitaro.

Zvočni ojačevalnik je leta 1909 izumil Lee De Forest, ko je izumil triodno vakuumsko cev (ali "ventil" v britanski angleščini). Trioda je bila tri terminalna naprava s krmilno mrežo, ki lahko modulira pretok elektronov iz žarilne nitke do plošče. Triodni vakuumski ojačevalnik je bil uporabljen za izdelavo prvega AM radia. Zgodnji ojačevalniki zvočne moči so temeljili na vakuumskih ceveh. Ker se danes uporabljajo tranzistorski ojačevalniki, ki so lažji, bolj zanesljivi in zahtevajo manj vzdrževanja kot cevni ojačevalniki. Aplikacije za avdio ojačevalnike vključujejo domače avdio sisteme, ojačitve za koncertne in gledališke zvoke ter sisteme za razglas. Zvočna kartica v osebnem računalniku, vsakem stereo sistemu in vsakem sistemu domačega kina vsebuje enega ali več zvočnih ojačevalnikov. Druge aplikacije vključujejo instrumentne ojačevalnike, kot so ojačevalniki za kitaro, profesionalni in amaterski mobilni radio ter prenosne potrošniške izdelke, kot so igre in otroške igrače. Tu predstavljeni ojačevalnik uporablja MOSFET za dosego želenih specifikacij avdio ojačevalnika. Stopnja dobička in moči se pri načrtovanju uporablja za dosego zahtevanega dobička in pasovne širine.

2. korak: Oblikovanje in nekatere pomembne stopnje ojačevalnikov

Specifikacije ojačevalnika vključujejo:

Izhodna moč 0,5 W.

Pasovna širina 100Hz-10KHz

DOBIČEK VEZE: Prvi cilj je doseči precejšnje povečanje moči, ki zadostuje za zvočni signal brez hrupa na izhodu skozi zvočnike. Da bi to dosegli, so bile v ojačevalniku uporabljene naslednje stopnje:

1. Stopnja ojačanja: Stopnja povečanja uporablja vezje ojačevalnika MOSFET, ki je nagnjen k delitvi. Moten razdelilnik potencialnega razdelilnika je prikazan na sliki 1.

Preprosto ojača vhodni signal in ustvari dobiček v skladu z enačbo (1).

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

Tu sta R1 in R2 vhodni upori, rs je upor vira, RD je upor med napetostjo pristranskosti in odtokom in RL je odpornost na obremenitev.

gm je transprevodnost, ki je opredeljena kot razmerje med spremembo odtočnega toka in spremembo napetosti vrat.

Podano je kot

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

Za ustvarjanje želenega dobička so bila tri zaporedno vezana potencialna razdelilna vezja kaskadno zaporedoma, skupni dobiček pa je produkt dobičkov posameznih stopenj.

Skupni dobiček = A1*A2*A3 (3)

Kjer so A1, A2 in A3 dobički prve, druge in tretje stopnje.

Stopnje so med seboj izolirane s pomočjo medsebojno povezanih kondenzatorjev, to je RC sklopke.

2. Stopnja moči: Potisni ojačevalnik je ojačevalnik, ki ima izhodno stopnjo, ki lahko skozi obremenitev poganja tok v obe smeri.

Izhodna stopnja tipičnega potisnega ojačevalnika je sestavljena iz dveh enakih BJT -jev ali MOSFET -ov, od katerih eden izvira tok skozi obremenitev, drugi pa iztoči tok iz bremena. Potisni ojačevalniki so po izkrivljanju in zmogljivosti boljši od enosmernih ojačevalnikov (z uporabo enega tranzistorja na izhodu za pogon bremena). Kakovostni ojačevalnik z enim koncem bo zagotovo vnesel nekaj popačenj zaradi nelinearnosti njegovih dinamičnih prenosnih lastnosti.

Potisni ojačevalniki se običajno uporabljajo v situacijah, kjer so potrebni nizko popačenje, visoka učinkovitost in velika izhodna moč.

Osnovno delovanje potisnega ojačevalnika je naslednje:

"Signal, ki ga je treba ojačati, se najprej razdeli na dva enaka signala 180 ° zunaj faze. Na splošno se to cepljenje izvede z vhodnim sklopnim transformatorjem. Vhodni sklopni transformator je tako razporejen, da se en signal vnese na vhod enega tranzistorja in drugi signal se vnese na vhod drugega tranzistorja."

Prednosti potisnega ojačevalnika so majhno popačenje, odsotnost magnetne nasičenosti v jedru sklopnega transformatorja in preklic valovanja napajanja, kar povzroči odsotnost šumenja, medtem ko so pomanjkljivosti potreba po dveh enakih tranzistorjih ter zahteva po obsežni in dragi sklopki transformatorji. Stopnja povečanja moči je bila uvrščena kot zadnja faza vezja zvočnega ojačevalnika.

POGOSTEN ODZIV VOZILA:

Kapacitivnost ima prevladujočo vlogo pri oblikovanju časovnega in frekvenčnega odziva sodobnih elektronskih vezij. Obsežna in poglobljena eksperimentalna raziskava je bila izvedena vloga različnih kondenzatorjev v ojačevalnem vezju MOSFET z majhnim signalom.

Poseben poudarek je bil namenjen spreminjanju zasnove reševanju osnovnih vprašanj, povezanih s kapacitivnostjo ojačevalnikov MOSFET. Za eksperiment so bili uporabljeni trije različni izboljšani n-kanalni MOSFET-i (model 2N7000, v nadaljevanju MOS-1, MOS-2 in MOS-3), ki jih proizvaja Motorola Inc. Študija odkriva več pomembnih novih lastnosti ojačevalnikov. Kaže, da pri zasnovi ojačevalnikov MOS z majhnim signalom nikoli ne smemo jemati samoumevno, da sklopni in obvodni kondenzatorji delujejo kot kratek stik in nimajo vpliva na vhodno in izhodno napetost izmeničnega toka. Pravzaprav prispevajo k nivojem napetosti na vhodnih in izhodnih vratih ojačevalnika. Ko so premišljeno izbrani za sklopne in obvodne operacije, narekujejo dejansko povečanje napetosti ojačevalnika pri različnih frekvencah vhodnega signala.

Spodnje mejne frekvence urejajo vrednosti sklopnih in obvodnih kondenzatorjev, zgornja mejna vrednost pa je posledica kapacitivnosti shunta. Ta shunt kapacitivnost je potepuška kapacitivnost, ki je prisotna med stičišči tranzistorja.

Kapaciteta je podana po formuli.

C = (Območje * Ebsilon) / razdalja (4)

Vrednost kondenzatorjev je izbrana tako, da je izhodna pasovna širina med 100-10KHz, signal nad in pod to frekvenco pa oslabljen.

Številke:

Slika.1 Mosa vezje MOSFET z močnim deliteljem

Slika.2 Vezje ojačevalnika moči z uporabo BJT

Slika.3 Frekvenčni odziv MOSFET

3. korak: Izvajanje programske in strojne opreme

Vezje je bilo zasnovano in simulirano s programsko opremo PROTEUS, kot je prikazano na sliki 4. Isto vezje je bilo izvedeno na tiskanem vezju in uporabljene so bile iste komponente.

Vsi upori imajo nazivno moč 1 W, kondenzatorji pa 50 V, da se izognete poškodbam.

Seznam uporabljenih komponent je naveden spodaj:

R1, R5, R9 = 1 MΩ

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 = NASVET127

Vezje preprosto sestavljajo tri stopnje povečanja, povezane kaskadno.

Stopnje dobička so povezane z RC sklopko. RC sklopka je najpogosteje uporabljena metoda povezovanja v večstopenjskih ojačevalnikih. V tem primeru je upor R upor, priključen na izvorni priključek, kondenzator C pa med ojačevalniki. Imenuje se tudi blokirni kondenzator, saj blokira enosmerno napetost. Vhod po prehodu skozi te stopnje doseže stopnjo napajanja. Napajalni oder uporablja tranzistorje BJT (en npn in en pnp). Zvočnik je priključen na izhod te stopnje in dobimo ojačan zvočni signal. Signal, ki je vezju dan za simulacijo, je 10 mV sin val, izhod na zvočniku pa 2,72 V sin sin.

SLIKE:

Slika.4 Vezje PROTEUS

Slika.5 Stopnja dobička

Slika.6 Stopnja napajanja

Slika 7 Izhod stopnje dobička 1 (dobiček = 7)

Slika 8 Izhod stopnje 2 ojačanja (dobiček = 6,92)

Slika 9 Izhod stopnje dobička 3 (dobiček = 6,35)

Slika.10 Izhod treh stopenj povečanja (skupni dobiček = 308)

Slika.11 Izhod na zvočniku

4. korak: POSTAVLJANJE PCB

Vezje, prikazano na sliki 4, je bilo izvedeno na tiskanem vezju.

Zgoraj je nekaj odlomkov programske opreme tiskanega vezja

SLIKE:

Slika.12 Postavitev tiskanega vezja

Slika 13 Postavitev tiskanega vezja (pdf)

Slika 14 3D Pogled (ZGORNI POGLED)

Slika.15 Pogled 3D (BOTTOM VIEW)

Slika 16 Strojna oprema (BOTTOM VIEW) Pogled od zgoraj že na prvi sliki

5. korak: Zaključek

Z uporabo velikega ojačanja in visoke vhodne impedance kratkopasovnih močnostnih tranzistorjev je bilo zasnovano preprosto vezje, ki zagotavlja zadostni pogon za ojačevalnike do 0,5 vata.

Ponuja izvedbo, ki izpolnjuje merila za visoko kakovost zvočne reprodukcije. Pomembne aplikacije vključujejo razglasne sisteme, gledališke in koncertne zvočne ojačitvene sisteme ter domače sisteme, kot so stereo ali sistem za domači kino.

Instrumentni ojačevalniki, vključno s kitarskimi ojačevalniki in električnimi ojačevalniki na tipkovnici, uporabljajo tudi zvočne ojačevalnike.

6. korak: Posebna hvala

Še posebej se zahvaljujem prijateljem, ki so mi pomagali pri doseganju rezultatov tega projekta.

Upam, da ste uživali v tem navodilu. Za kakršno koli pomoč bi bil vesel, če komentirate.

Ostani blagoslovljen. Se vidiva:)

Tahir Ul Haq, EE DEPT, UET

Lahore, Pakistan