MOSFET AUDIO AMPLIFIER (Low Noise and High Gain): 6 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

Hei folkens!

Dette prosjektet er design og implementering av en Low Power Audio -forsterker ved hjelp av MOSFET -er. Designet er så enkelt som det kan være, og komponentene er lett tilgjengelige. Jeg skriver dette instruerbart ettersom jeg selv opplevde mange problemer med å finne nyttig materiale om prosjektet og en enkel metode for implementering.

Håper du liker å lese det instruerbare, og jeg er sikker på at det vil hjelpe deg.

Trinn 1: Introduksjon

"En lydforsterker (eller effektforsterker) er en elektronisk forsterker som styrker laveffekt, uhørlige elektroniske lydsignaler som signalet fra radiomottaker eller elektrisk gitaropptak til et nivå som er sterkt nok til å kjøre høyttalere eller hodetelefoner."

Dette inkluderer både forsterkere som brukes i hjemmelydsystemer og musikkinstrumentforsterkere som gitarforsterkere.

Lydforsterkeren ble oppfunnet i 1909 av Lee De Forest da han oppfant triode vakuumrøret (eller "ventil" på britisk engelsk). Trioden var en treterminalenhet med et kontrollgitter som kan modulere strømmen av elektroner fra filamentet til platen. Triode vakuumforsterker ble brukt til å lage den første AM -radioen. Tidlige lydforsterkere var basert på vakuumrør. Mens det i dag brukes transistorbaserte forsterkere som er lettere i vekt, mer pålitelige og krever mindre vedlikehold enn rørforsterkere. Søknader for lydforsterkere inkluderer hjemmelydsystemer, konsert- og teaterlydforsterkning og høyttaleranlegg. Lydkortet i en PC, hvert stereoanlegg og hvert hjemmekinoanlegg inneholder en eller flere lydforsterkere. Andre applikasjoner inkluderer instrumentforsterkere som gitarforsterkere, profesjonell og amatør mobilradio og bærbare forbrukerprodukter som spill og barneleker. Forsterkeren som presenteres her bruker mosfets for å oppnå de ønskede spesifikasjonene for en lydforsterker. Gain og power -trinn brukes i designet for å oppnå den nødvendige gevinsten og båndbredden.

Trinn 2: Design og noen viktige forsterkerstadier

Spesifikasjonene til forsterkeren inkluderer:

Utgangseffekt 0,5 W.

Båndbredde 100Hz-10KHz

KRETSGevinsten: Det første målet er å oppnå en betydelig kraftforsterkning som er tilstrekkelig til å gi et lydfritt lydsignal ved utgangen gjennom høyttalere. For å oppnå dette ble følgende trinn brukt i forsterkeren:

1. Gain Stage: Gain -trinnet bruker en potensiell divider -partisk mosfet -forsterkerkrets. Den potensielle deler -forspente kretsen er vist i figur 1.

Det forsterker ganske enkelt inngangssignalet og produserer forsterkning i henhold til ligningen (1).

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

Her er R1 og R2 inngangsmotstandene, rs er kildemotstanden, RD er motstanden mellom forspenning og avløp og RL er belastningsmotstanden.

gm er transkonduktans som er definert som forholdet mellom endringen i dreneringsstrøm og endringen i portspenning.

Det er gitt som

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

For å produsere ønsket forsterkning ble tre potensielle divider -forspente kretser kaskadert i serie, og den totale forsterkningen er produktet av gevinsten fra individuelle trinn.

Total gevinst = A1*A2*A3 (3)

Hvor, A1, A2 og A3 er gevinsten fra henholdsvis første, andre og tredje trinn.

Trinnene er isolert fra hverandre ved hjelp av sammenkoblede kondensatorer som er RC -kobling.

2. Power Stage: En push pull -forsterker er en forsterker som har et utgangstrinn som kan drive en strøm i begge retninger gjennom lasten.

Utgangstrinnet til en typisk push pull -forsterker består av to identiske BJT -er eller MOSFET -er, en som får strøm gjennom lasten, mens den andre synker strømmen fra lasten. Push -pull -forsterkere er overlegne enn forsterkere med en ende (bruker en enkelt transistor ved utgangen for å drive lasten) når det gjelder forvrengning og ytelse. En forsterker med en ende, hvor godt den kan være designet, vil sikkert innføre en viss forvrengning på grunn av ikke-lineariteten til dens dynamiske overføringsegenskaper.

Push pull -forsterkere brukes ofte i situasjoner der lav forvrengning, høy effektivitet og høy utgangseffekt er nødvendig.

Den grunnleggende operasjonen til en push pull -forsterker er som følger:

"Signalet som skal forsterkes, deles først i to identiske signaler 180 ° ut av fase. Vanligvis utføres denne splittelsen ved hjelp av en inngangskoblingstransformator. Inngangskoblingstransformatoren er slik arrangert at ett signal påføres inngangen til en transistor og annet signal blir tilført inngangen til den andre transistoren."

Fordelene med push pull -forsterker er lav forvrengning, fravær av magnetisk metning i koblingstransformatorkjernen og kansellering av strømforsyningsriper som resulterer i fravær av brum mens ulempene er behovet for to identiske transistorer og kravet om omfangsrik og kostbar kobling transformatorer. Et effektforsterkningsstadium ble kaskadert som siste fase av lydforsterkerkretsen.

FREKVENSANSVAR AV KRETSEN:

Kapasitans spiller en dominerende rolle i utformingen av tid og frekvensrespons for moderne elektroniske kretser. En omfattende og grundig eksperimentell undersøkelse har blitt utført rollen som forskjellige kondensatorer i MOSFET-forsterkerkretsen med små signaler.

Det er lagt særlig vekt på å ta opp grunnleggende problemer som involverer kapasitanser i MOSFET -forsterkere, i stedet for å endre designet. Tre forskjellige forbedrede n-kanal MOSFET-er (2N7000-modellen, heretter referert til som MOS-1, MOS-2 og MOS-3) produsert av Motorola Inc. har blitt brukt til eksperimentet. Studien avdekker flere viktige nye funksjoner i forsterkerne. Det indikerer at det i utformingen av små-signal MOS-forsterkere aldri skal tas for gitt at kobling og bypass-kondensatorer fungerer som kortslutning og ikke har noen effekt på AC-inngangs- og utgangsspenningene. Faktisk bidrar de til spenningsnivåene som ses både ved inngangen og utgangsporten til forsterkeren. Når de velges fornuftig for kobling og bypass -operasjoner, dikterer de den faktiske spenningsøkningen til forsterkeren ved forskjellige frekvenser av inngangssignal.

De nedre cut-off frekvensene styres av verdiene for kobling og bypass kondensatorer mens den øvre cut-off er et resultat av shunt kapasitans. Denne shuntkapasitansen er den løse kapasitansen som er tilstede mellom kryssene i transistoren.

Kapasitansen er gitt av formelen.

C = (Område * Ebsilon) / avstand (4)

Verdien på kondensatorene velges slik at utgangsbåndbredden er mellom 100-10KHz og signalet over og under denne frekvensen dempes.

Tall:

Figur.1 Potensial divider Biased MOSFET krets

Figur.2 Effektforsterkerkrets ved bruk av BJT

Figur.3 Frekvensrespons av MOSFET

Trinn 3: Implementering av programvare og maskinvare

Kretsen ble designet og simulert på PROTEUS -programvare som vist i figur 4. Den samme kretsen ble implementert på kretskortet og samme komponenter ble brukt.

Alle motstandene er vurdert til 1 Watt og kondensatorer for 50 volt for å unngå skade.

Listen over brukte komponenter er oppført nedenfor:

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 = TIPS122

Q5 = TIPS127

Kretsen består ganske enkelt av tre forsterkningstrinn koblet i kaskade.

Gain -trinn er koblet til via RC -kobling. RC -kobling er den mest brukte koblingsmetoden i flertrinns forsterkere. I dette tilfellet er motstanden R motstanden som er koblet til kildeterminalen og kondensatoren C er koblet mellom forsterkerne. Det kalles også en blokkerende kondensator, siden den vil blokkere likspenning. Inngangen etter å ha passert gjennom disse stadiene når kraftstadiet. Kraftfasen bruker BJT -transistorer (en npn og en pnp). Høyttaleren er tilkoblet ved utgangen på dette stadiet, og vi får et forsterket lydsignal. Signal gitt til kretsen for simulering er 10mV sin bølge og utgangen på høyttaleren er 2,72 V sin bølge.

FIGURER:

Figur.4 PROTEUS -krets

Figur.5 Gevinststadium

Figur.6 Kraftfase

Figur.7 Utgang av forsterkningstrinn 1 (Gain = 7)

Figur.8 Utgang av forsterkningstrinn 2 (gevinst = 6,92)

Figur.9 Utgang av forsterkningstrinn 3 (gevinst = 6,35)

Figur.10 Utgang av tre forsterkningstrinn (total gevinst = 308)

Figur.11 Utgang ved høyttaleren

Trinn 4: PCB LAYOUT

Kretsen vist i figur 4 ble implementert på kretskortet.

Over er noen utdrag av programvaredesignet til kretskortet

FIGURER:

Figur.12 PCB -oppsett

Figur 13 PCB -layout (pdf)

Figur 14 3D -visning (toppvisning)

Figur.15 3D -visning (BUNNVISNING)

Figur 16 Maskinvare (BUNNVISNING) Sett ovenfra allerede i det første bildet

Trinn 5: Konklusjon

Ved å benytte den høye forsterkningen og den høye inngangsimpedansen til MOSFET -er med korte kanaler, har en enkel krets blitt utviklet for å gi tilstrekkelig drift for forsterkere opp til 0,5 watt.

Den tilbyr ytelse som oppfyller kriteriene for høykvalitets lydgjengivelse. Viktige bruksområder inkluderer adressesystemer, teater- og konsertlydforsterkningssystemer og husholdningssystemer som stereoanlegg eller hjemmekinoanlegg.

Instrumentforsterkere inkludert gitarforsterkere og elektriske tastaturforsterkere bruker også lydforsterkere.

Trinn 6: Spesiell takk

Jeg takker spesielt vennene som hjalp meg med å oppnå resultatene av dette prosjektet.

Jeg håper du likte dette lærerikt. For hjelp, vil jeg gjerne hvis du kommenterer.

Vær velsigned. Ser deg:)

Tahir Ul Haq, EE DEPT, UET

Lahore, Pakistan