MOSFET AUDIO AMPLIFIER (Χαμηλού θορύβου και Υψηλής απόδοσης): 6 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:38

Γεια σας παιδιά!

Αυτό το έργο είναι ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός ενισχυτή ήχου χαμηλής ισχύος χρησιμοποιώντας MOSFET. Ο σχεδιασμός είναι τόσο απλός όσο θα μπορούσε να είναι και τα εξαρτήματα είναι εύκολα διαθέσιμα. Γράφω αυτό το διδακτικό καθώς αντιμετώπισα πολλές δυσκολίες στο να βρω κάποιο χρήσιμο υλικό σχετικά με το έργο και μια εύκολη μέθοδο για την υλοποίηση.

Ελπίζω να σας αρέσει να διαβάζετε το διδακτικό και είμαι βέβαιος ότι θα σας βοηθήσει.

Βήμα 1: Εισαγωγή

"Ένας ενισχυτής ισχύος ήχου (ή ενισχυτής ισχύος) είναι ένας ηλεκτρονικός ενισχυτής που ενισχύει τα χαμηλής ισχύος, μη ακούσιμα ηλεκτρονικά ηχητικά σήματα, όπως το σήμα από τον δέκτη ραδιοφώνου ή την παραλαβή ηλεκτρικής κιθάρας σε επίπεδο αρκετά ισχυρό για οδήγηση ηχείων ή ακουστικών."

Αυτό περιλαμβάνει τόσο ενισχυτές που χρησιμοποιούνται σε οικιακά ηχοσυστήματα όσο και ενισχυτές μουσικών οργάνων όπως ενισχυτές κιθάρας.

Ο ενισχυτής ήχου εφευρέθηκε το 1909 από τον Lee De Forest όταν εφηύρε τον σωλήνα κενού τριόδου (ή "βαλβίδα" στα βρετανικά αγγλικά). Η τριάδα ήταν μια τερματική συσκευή με ένα πλέγμα ελέγχου που μπορεί να διαμορφώσει τη ροή των ηλεκτρονίων από το νήμα στην πλάκα. Ο ενισχυτής κενού τριόδου χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή του πρώτου ραδιοφώνου AM. Οι πρώτοι ενισχυτές ισχύος ήχου βασίστηκαν σε σωλήνες κενού. Ενώ, χρησιμοποιούνται σήμερα ενισχυτές με βάση τρανζίστορ που είναι ελαφρύτεροι σε βάρος, πιο αξιόπιστοι και απαιτούν λιγότερη συντήρηση από τους ενισχυτές σωλήνων. Οι εφαρμογές για ενισχυτές ήχου περιλαμβάνουν οικιακά ηχοσυστήματα, συναυλιακά και θεατρικά ενισχυτικά ήχου και συστήματα δημόσιας ομιλίας. Η κάρτα ήχου σε έναν προσωπικό υπολογιστή, κάθε στερεοφωνικό σύστημα και κάθε σύστημα οικιακού κινηματογράφου περιέχει έναν ή περισσότερους ενισχυτές ήχου. Άλλες εφαρμογές περιλαμβάνουν ενισχυτές οργάνων όπως ενισχυτές κιθάρας, επαγγελματικό και ερασιτεχνικό ραδιόφωνο για κινητά και φορητά καταναλωτικά προϊόντα όπως παιχνίδια και παιδικά παιχνίδια. Ο ενισχυτής που παρουσιάζεται εδώ χρησιμοποιεί mosfets για να επιτύχει τις επιθυμητές προδιαγραφές ενός ενισχυτή ήχου. Το στάδιο κέρδους και ισχύος χρησιμοποιείται στο σχεδιασμό για την επίτευξη του απαιτούμενου κέρδους και εύρους ζώνης.

Βήμα 2: Σχεδιασμός και ορισμένα σημαντικά στάδια ενισχυτή

Οι προδιαγραφές του ενισχυτή περιλαμβάνουν:

Ισχύς εξόδου 0,5 W.

Εύρος ζώνης 100Hz-10KHz

ΚΕΡΔΟΣ ΤΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ: Ο πρώτος στόχος είναι να επιτευχθεί ένα σημαντικό κέρδος ισχύος που είναι αρκετό για να δώσει σήμα ήχου χωρίς θόρυβο στην έξοδο μέσω ηχείων. Για να επιτευχθεί αυτό, χρησιμοποιήθηκαν τα ακόλουθα στάδια στον ενισχυτή:

1. Στάδιο κέρδους: Το στάδιο κέρδους χρησιμοποιεί ένα πιθανό κύκλωμα ενισχυτή μεροληπτικού διαχωριστή mosfet. Το μεροληπτικό κύκλωμα δυνητικού διαιρέτη φαίνεται στο σχήμα 1.

Απλώς ενισχύει το σήμα εισόδου και παράγει κέρδος σύμφωνα με την εξίσωση (1).

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

Εδώ, R1 και R2 είναι οι αντιστάσεις εισόδου, rs είναι η αντίσταση πηγής, RD είναι η αντίσταση μεταξύ τάσης πόλωσης και αποστράγγισης και RL είναι η αντίσταση φορτίου.

gm είναι διαπερατότητα η οποία ορίζεται ως ο λόγος της μεταβολής του ρεύματος αποστράγγισης προς την αλλαγή της τάσης της πύλης.

Δίνεται ως

gm = Δέλτα (ID) / δέλτα (VGS) (2)

Για να επιτευχθεί το επιθυμητό κέρδος, τρία πιθανά κυκλώματα μεροληπτικών διαχωριστών μπήκαν σε σειρά και το συνολικό κέρδος είναι το προϊόν των κερδών μεμονωμένων σταδίων.

Συνολικό κέρδος = A1*A2*A3 (3)

Όπου, τα Α1, Α2 και Α3 είναι τα κέρδη του πρώτου, του δεύτερου και του τρίτου σταδίου αντίστοιχα.

Τα στάδια απομονώνονται το ένα από το άλλο με τη βοήθεια διασυνδεδεμένων πυκνωτών που είναι η σύνδεση RC.

2. Στάδιο ισχύος: Ένας ενισχυτής έλξης ώθησης είναι ένας ενισχυτής που έχει στάδιο εξόδου που μπορεί να οδηγήσει ένα ρεύμα προς οποιαδήποτε κατεύθυνση μέσω του φορτίου.

Το στάδιο εξόδου ενός τυπικού ενισχυτή έλξης ώθησης αποτελείται από δύο πανομοιότυπα BJT ή MOSFETs το ένα ρεύμα τροφοδοσίας μέσω του φορτίου ενώ το άλλο βυθίζει το ρεύμα από το φορτίο. Οι ενισχυτές ώθησης είναι ανώτεροι από τους ενισχυτές μονής απόληξης (χρησιμοποιώντας ένα μόνο τρανζίστορ στην έξοδο για την οδήγηση του φορτίου) όσον αφορά την παραμόρφωση και την απόδοση. Ένας ενισχυτής με ένα μόνο άκρο, πόσο καλά μπορεί να σχεδιαστεί, σίγουρα θα εισάγει κάποια παραμόρφωση λόγω της μη γραμμικότητας των δυναμικών χαρακτηριστικών μεταφοράς του.

Οι ενισχυτές ώθησης χρησιμοποιούνται συνήθως σε περιπτώσεις όπου απαιτούνται χαμηλές παραμορφώσεις, υψηλή απόδοση και υψηλή ισχύ εξόδου.

Η βασική λειτουργία ενός ενισχυτή push pull είναι η ακόλουθη:

"Το σήμα που πρόκειται να ενισχυθεί χωρίζεται πρώτα σε δύο πανομοιότυπα σήματα 180 ° εκτός φάσης. Γενικά αυτή η διάσπαση γίνεται χρησιμοποιώντας έναν μετασχηματιστή ζεύξης εισόδου. Ο μετασχηματιστής ζεύξης εισόδου είναι έτσι διατεταγμένος ώστε να εφαρμόζεται ένα σήμα στην είσοδο ενός τρανζίστορ και άλλο σήμα εφαρμόζεται στην είσοδο του άλλου τρανζίστορ."

Τα πλεονεκτήματα του ενισχυτή έλξης είναι η χαμηλή παραμόρφωση, η απουσία μαγνητικού κορεσμού στον πυρήνα του μετασχηματιστή ζεύξης και η ακύρωση των κυματισμών τροφοδοσίας που οδηγεί στην απουσία βουητού, ενώ τα μειονεκτήματα είναι η ανάγκη δύο πανομοιότυπων τρανζίστορ και η απαίτηση ογκώδους και δαπανηρής σύζευξης. μετασχηματιστές. Ένα στάδιο αύξησης ισχύος εμφανίστηκε ως το τελευταίο στάδιο του κυκλώματος ενισχυτή ήχου.

ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΑΠΑΝΤΗΣΗ ΤΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ:

Η χωρητικότητα παίζει κυρίαρχο ρόλο στη διαμόρφωση της απόκρισης χρόνου και συχνότητας των σύγχρονων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Μια εκτεταμένη και σε βάθος πειραματική έρευνα διεξήχθη ο ρόλος διαφόρων πυκνωτών στο κύκλωμα ενισχυτή MOSFET μικρού σήματος.

Ιδιαίτερη έμφαση έχει δοθεί στην αντιμετώπιση βασικών ζητημάτων που περιλαμβάνουν χωρητικότητα σε ενισχυτές MOSFET, αντί να τροποποιήσουν το σχέδιο. Για το πείραμα χρησιμοποιήθηκαν τρία διαφορετικά MOSFETs καναλιού ενίσχυσης (μοντέλο 2N7000, που αναφέρονται στο εξής ως MOS-1, MOS-2 και MOS-3) που κατασκευάζονται από την Motorola Inc. Η μελέτη αποκαλύπτει αρκετά σημαντικά νέα χαρακτηριστικά των ενισχυτών. Υποδεικνύει ότι στο σχεδιασμό ενισχυτών MOS μικρού σήματος, δεν πρέπει ποτέ να θεωρείται δεδομένο ότι οι πυκνωτές σύζευξης και παράκαμψης λειτουργούν ως βραχυκύκλωμα και δεν έχουν καμία επίδραση στις τάσεις εισόδου και εξόδου εναλλασσόμενου ρεύματος. Στην πραγματικότητα, συμβάλλουν στα επίπεδα τάσης που εμφανίζονται τόσο στη θύρα εισόδου όσο και στην έξοδο του ενισχυτή. Όταν επιλέγονται με σύνεση για λειτουργίες σύζευξης και παράκαμψης, υπαγορεύουν το πραγματικό κέρδος τάσης του ενισχυτή σε διάφορες συχνότητες σήματος εισόδου.

Οι χαμηλότερες συχνότητες διακοπής διέπονται από τις τιμές των πυκνωτών σύζευξης και παράκαμψης, ενώ η ανώτερη διακοπή είναι αποτέλεσμα της χωρητικότητας διακλάδωσης. Αυτή η χωρητικότητα διακλάδωσης είναι η αδέσποτη χωρητικότητα που υπάρχει μεταξύ των κόμβων του τρανζίστορ.

Η χωρητικότητα δίνεται από τον τύπο.

C = (Περιοχή * Ebsilon) / απόσταση (4)

Η τιμή των πυκνωτών επιλέγεται έτσι ώστε το εύρος ζώνης εξόδου να είναι μεταξύ 100-10KHz και το σήμα πάνω και κάτω από αυτή τη συχνότητα να εξασθενεί.

Σχήματα:

Εικόνα.1 Κύκλωμα MOSFET μεροληπτικού δυνητικού διαχωριστή

Εικόνα.2 Κύκλωμα ενισχυτή ισχύος χρησιμοποιώντας BJT

Εικόνα.3 Απόκριση συχνότητας του MOSFET

Βήμα 3: Εφαρμογή λογισμικού και υλικού

Το κύκλωμα σχεδιάστηκε και προσομοιώθηκε με λογισμικό PROTEUS όπως φαίνεται στο σχήμα 4. Το ίδιο κύκλωμα εφαρμόστηκε στο PCB και χρησιμοποιήθηκαν τα ίδια εξαρτήματα.

Όλες οι αντιστάσεις είναι βαθμολογημένες για 1 Watt και οι πυκνωτές για 50 volt για να αποφευχθεί ζημιά.

Ο κατάλογος των εξαρτημάτων που χρησιμοποιούνται παρατίθεται παρακάτω:

R1, R5, R9 = 1MΩ

R2, R6, R11 = 68Ω

R3, R7, R10 = 230KΩ

R4, R8, R12 = 1KΩ

R13, R14 = 10KΩ

C1, C2, C3, C4, C5 = 4.7μF

C6, C7 = 1.5μF

Q1, Q2, Q3 = 2N7000

Q4 = TIP122

Q5 = TIP127

Το κύκλωμα απλώς αποτελείται από τρία στάδια κέρδους που συνδέονται σε καταρράκτη.

Τα στάδια κέρδους συνδέονται μέσω ζεύξης RC. Η σύζευξη RC είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος σύζευξης σε ενισχυτές πολλαπλών σταδίων. Σε αυτή την περίπτωση, η αντίσταση R είναι η αντίσταση που συνδέεται στον ακροδέκτη πηγής και ο πυκνωτής C συνδέεται μεταξύ των ενισχυτών. Ονομάζεται επίσης πυκνωτής μπλοκαρίσματος, καθώς θα μπλοκάρει την τάση DC. Η είσοδος αφού περάσει από αυτά τα στάδια φτάνει στο στάδιο ισχύος. Το στάδιο ισχύος χρησιμοποιεί τρανζίστορ BJT (ένα npn και ένα pnp). Το ηχείο είναι συνδεδεμένο στην έξοδο αυτού του σταδίου και λαμβάνουμε ένα ενισχυμένο ηχητικό σήμα. Το σήμα που δίνεται στο κύκλωμα για προσομοίωση είναι sin κύμα 10mV και η έξοδος στο μεγάφωνο είναι κύμα αμαρτίας 2,72 V.

ΕΙΚΟΝΑ:

Εικόνα.4 κύκλωμα PROTEUS

Εικόνα.5 Στάδιο κέρδους

Εικόνα.6 Power Stage

Εικόνα.7 Έξοδος σταδίου κέρδους 1 (Κέρδος = 7)

Εικόνα 8 Έξοδος σταδίου κέρδους 2 (Κέρδος = 6,92)

Εικόνα. 9 Έξοδος κέρδους σταδίου 3 (Κέρδος = 6,35)

Εικόνα. 10 Έξοδος τριών σταδίων κέρδους (Συνολικό κέρδος = 308)

Εικόνα.11 Έξοδος στο μεγάφωνο

Βήμα 4: Διάταξη PCB

Το κύκλωμα που φαίνεται στο σχήμα 4 εφαρμόστηκε στο PCB.

Παρακάτω είναι μερικά αποσπάσματα του σχεδιασμού λογισμικού του PCB

ΕΙΚΟΝΑ:

Εικόνα.12 Διάταξη PCB

Εικόνα. 13 Διάταξη PCB (pdf)

Εικόνα. 14 3D προβολή (TOP VIEW)

Εικόνα. 15 3D προβολή (ΚΑΤΩ ΠΡΟΒΟΛΗ)

Εικόνα 16 Υλικό (ΚΑΤΩ ΠΡΟΒΟΛΗ) Κάτοψη που υπάρχει ήδη στην πρώτη εικόνα

Βήμα 5: Συμπέρασμα

Χρησιμοποιώντας το υψηλό κέρδος και την υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου MOSFET ισχύος μικρού καναλιού, έχει σχεδιαστεί ένα απλό κύκλωμα που παρέχει επαρκή κίνηση για ενισχυτές έως και 0,5 watt.

Προσφέρει απόδοση που πληροί τα κριτήρια για υψηλής ποιότητας αναπαραγωγή ήχου. Σημαντικές εφαρμογές περιλαμβάνουν συστήματα δημόσιας ομιλίας, συστήματα θεατρικής και συναυλιακής ενίσχυσης ήχου και οικιακά συστήματα, όπως στερεοφωνικό ή σύστημα οικιακού κινηματογράφου.

Οι ενισχυτές οργάνων που περιλαμβάνουν ενισχυτές κιθάρας και ηλεκτρικούς ενισχυτές πληκτρολογίου χρησιμοποιούν επίσης ενισχυτές ήχου.

Βήμα 6: Ιδιαίτερες ευχαριστίες

Ευχαριστώ ιδιαίτερα τους φίλους που με βοήθησαν στην επίτευξη των αποτελεσμάτων αυτού του έργου.

Ελπίζω να σας άρεσε αυτό το διδακτικό. Για οποιαδήποτε βοήθεια, θα ήθελα να σχολιάσετε.

Μείνε ευλογημένος. Τα λέμε:)

Tahir Ul Haq, EE DEPT, UET

Λαχόρη, Πακιστάν