MOSFET AUDIO AMPLIFIER (låg ljudnivå och hög förstärkning): 6 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

Hej grabbar!

Detta projekt är design och implementering av en Low Power Audio -förstärkare med MOSFET. Designen är så enkel som den kan vara och komponenterna är lättillgängliga. Jag skriver detta instruerbart eftersom jag själv upplevde mycket svårt att hitta något användbart material om projektet och en enkel metod för genomförandet.

Hoppas du gillar att läsa det instruerbara och jag är övertygad om att det kommer att hjälpa dig.

Steg 1: Introduktion

"En ljudförstärkare (eller effektförstärkare) är en elektronisk förstärkare som förstärker lågeffekts, hörbara elektroniska ljudsignaler som signalen från radiomottagare eller elgitarrhämtning till en nivå som är tillräckligt stark för att köra högtalare eller hörlurar."

Detta inkluderar både förstärkare som används i hemmaljudsystem och förstärkare för musikinstrument som gitarrförstärkare.

Ljudförstärkaren uppfanns 1909 av Lee De Forest när han uppfann triodevakuumröret (eller "ventil" på brittisk engelska). Trioden var en treterminalanordning med ett styrnät som kan modulera elektronflödet från glödtråden till plattan. Triode -vakuumförstärkaren användes för att göra den första AM -radion. Tidiga ljudförstärkare baserades på vakuumrör. Medan nu används transistorbaserade förstärkare som är lättare, mer tillförlitliga och kräver mindre underhåll än rörförstärkare. Ansökningar för ljudförstärkare inkluderar hemmaljudsystem, konsert- och teaterljudförstärkning och högtalarsystem. Ljudkortet i en persondator, varje stereoanläggning och alla hemmabiosystem innehåller en eller flera ljudförstärkare. Andra applikationer inkluderar instrumentförstärkare som gitarrförstärkare, professionell och amatörradio och bärbara konsumentprodukter som spel och barnleksaker. Förstärkaren som presenteras här använder mosfets för att uppnå önskade specifikationer för en ljudförstärkare. Förstärkning och effektsteg används i konstruktionen för att uppnå den önskade förstärkningen och bandbredden.

Steg 2: Design och några viktiga förstärkarsteg

Specifikationerna för förstärkaren inkluderar:

Effekt 0,5 W.

Bandbredd 100Hz-10KHz

KRETSVINST: Det första målet är att uppnå en avsevärd effektförstärkning som är tillräcklig för att ge en ljudfri ljudsignal vid utgången via högtalare. För att uppnå detta användes följande steg i förstärkaren:

1. Gain Stage: Förstärkningssteget använder en potentiell divider -förspänd mosfet -förstärkarkrets. Den potentiella avdelarens förspända krets visas i figur 1.

Det förstärker helt enkelt insignalen och producerar förstärkning enligt ekvationen (1).

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

Här är R1 och R2 ingångsmotstånden, rs är källmotståndet, RD är motståndet mellan förspänning och dränering och RL är belastningsmotståndet.

gm är transkonduktans som definieras som förhållandet mellan förändringen i dräneringsström och förändringen i grindspänning.

Det ges som

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

För att producera den önskade förstärkningen kaskades tre potentiella avdelare förspända kretsar i serie och den totala förstärkningen är en produkt av vinsterna i enskilda steg.

Total vinst = A1*A2*A3 (3)

Där, A1, A2 och A3 är vinsterna från första, andra respektive tredje etappen.

Stegen isoleras från varandra med hjälp av sammankopplade kondensatorer som är RC -koppling.

2. Effektsteg: En push pull -förstärkare är en förstärkare som har ett utgångssteg som kan driva en ström i båda riktningarna genom lasten.

Utgångssteget för en typisk push pull -förstärkare består av två identiska BJT: er eller en MOSFET: en som hämtar ström genom lasten medan den andra sänker strömmen från lasten. Push pull -förstärkare är överlägsna jämfört med enstaka förstärkare (med en enda transistor vid utgången för att driva lasten) när det gäller distorsion och prestanda. En enda förstärkare, hur väl den kan vara konstruerad, kommer säkert att införa viss distorsion på grund av dess icke-linjäritet i dess dynamiska överföringsegenskaper.

Push pull -förstärkare används vanligtvis i situationer där låg distorsion, hög effektivitet och hög uteffekt krävs.

Den grundläggande funktionen för en push pull -förstärkare är följande:

"Signalen som ska förstärkas delas först upp i två identiska signaler 180 ° ur fas. I allmänhet sker denna uppdelning med en ingångskopplingstransformator. Ingångskopplingstransformatorn är så ordnad att en signal matas till ingången på en transistor och annan signal matas till ingången på den andra transistorn."

Fördelarna med push pull -förstärkare är låg distorsion, frånvaro av magnetisk mättnad i kopplingstransformatorns kärna och avbrytande av strömförsörjningsrippor som resulterar i frånvaro av brum medan nackdelarna är behovet av två identiska transistorer och kravet på skrymmande och kostsam koppling transformatorer. Ett effektförstärkningssteg kaskades som det sista steget i ljudförstärkarkretsen.

FREKVENSANSVAR AV KRETSEN:

Kapacitans spelar en dominerande roll när det gäller att forma tid och frekvensrespons för moderna elektroniska kretsar. En omfattande och djupgående experimentell undersökning har utförts för olika kondensatorers roll i MOSFET-förstärkarkrets med liten signal.

Särskild tonvikt har lagts på att ta itu med grundläggande frågor som rör kapacitanser i MOSFET -förstärkare, snarare än att modifiera designen. Tre olika förbättrade n-kanal MOSFET (modell 2N7000, nedan kallad MOS-1, MOS-2 och MOS-3) tillverkade av Motorola Inc. har använts för experimentet. Studien avslöjar flera viktiga nya funktioner hos förstärkarna. Det indikerar att det vid utformningen av små signal MOS-förstärkare aldrig ska tas för givet att kopplings- och bypass-kondensatorer fungerar som kortslutning och inte har någon effekt på AC-ingångs- och utgångsspänningarna. Faktum är att de bidrar till spänningsnivåerna som ses vid både ingången och utgången på förstärkaren. När de väljs med förnuft för kopplings- och förbikopplingsoperationer dikterar de förstärkarens faktiska spänningsförstärkning vid olika frekvenser av insignal.

De lägre avstängningsfrekvenserna styrs av värdena på kopplings- och förbikopplingskondensatorer medan den övre avstängningen är ett resultat av shuntkapacitans. Denna shuntkapacitans är den avlägsna kapacitansen som finns mellan transistorns övergångar.

Kapacitansen ges av formeln.

C = (Area * Ebsilon) / distans (4)

Kondensatorernas värde väljs så att utgående bandbredd ligger mellan 100-10KHz och signalen över och under denna frekvens dämpas.

Siffror:

Figur.1 MOSFET -krets med potentiell uppdelare

Figur.2 Effektförstärkarkrets med BJT

Figur.3 Frekvensrespons för MOSFET

Steg 3: Implementering av programvara och maskinvara

Kretsen designades och simulerades på PROTEUS -programvara som visas i figur 4. Samma krets implementerades på kretskortet och samma komponenter användes.

Alla motstånd är märkta på 1 Watt och kondensatorer för 50 volt för att undvika skador.

Listan över använda komponenter listas nedan:

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 = TIPS127

Kretsen består helt enkelt av tre förstärkningssteg anslutna i kaskad.

Förstärkningssteg är anslutna via RC -koppling. RC -koppling är den mest använda kopplingsmetoden i flerstegsförstärkare. I detta fall är motståndet R motståndet som är anslutet vid källterminalen och kondensatorn C är ansluten mellan förstärkarna. Det kallas också en blockeringskondensator, eftersom det kommer att blockera likspänning. Ingången efter att ha passerat dessa steg når effektsteget. Effektsteget använder BJT -transistorer (en npn och en pnp). Högtalare är ansluten vid utgången av detta steg och vi får en förstärkt ljudsignal. Signalen som ges till kretsen för simulering är 10 mV sinvåg och utsignalen vid högtalaren är 2,72 V sinvåg.

SIFURER:

Figur.4 PROTEUS -krets

Figur.5 Förstärkningssteg

Figur.6 Effektsteg

Figur.7 Utgång av förstärkningssteg 1 (förstärkning = 7)

Figur 8 Utgång av förstärkningssteg 2 (förstärkning = 6,92)

Figur.9 Utgång av förstärkningssteg 3 (förstärkning = 6,35)

Figur 10 Utmatning av tre förstärkningssteg (Total förstärkning = 308)

Figur.11 Utmatning vid högtalaren

Steg 4: PCB -LAYOUT

Kretsen som visas i figur 4 implementerades på kretskortet.

Ovan är några utdrag av PCB: s mjukvarudesign

SIFURER:

Figur.12 PCB -layout

Figur 13 PCB -layout (pdf)

Figur 14 3D -vy (ÖVERSIKT ÖVER)

Figur.15 3D -vy (BOTTOM VIEW)

Figur 16 Hårdvara (BOTTOM VIEW) Ovanifrån redan i den första bilden

Steg 5: Slutsats

Med hjälp av den höga förstärkningen och den höga ingångsimpedansen för MOSFET med kort kanaleffekt har en enkel krets utformats för att ge tillräcklig frekvens för förstärkare upp till 0,5 watt.

Den erbjuder prestanda som uppfyller kriterierna för högkvalitativ ljudåtergivning. Viktiga tillämpningar inkluderar högtalarsystem, teater- och konsertljudförstärkningssystem och hushållssystem som stereo eller hemmabiosystem.

Instrumentförstärkare inklusive gitarrförstärkare och elektriska tangentbordsförstärkare använder också ljudförstärkare.

Steg 6: Särskilt tack

Jag tackar särskilt de vänner som hjälpte mig att uppnå resultaten av detta projekt.

Jag hoppas att du njöt av detta instruerbara. För all hjälp, skulle jag älska om du kommenterar.

Var välsignad. Vi ses:)

Tahir Ul Haq, EE DEPT, UET

Lahore, Pakistan