MOSFET AUDIO Pastiprinātājs (zems trokšņa līmenis un liels pastiprinājums): 6 soļi (ar attēliem)

2025 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2025-01-23 14:59

Sveiki puiši!

Šis projekts ir mazjaudas audio pastiprinātāja izstrāde un ieviešana, izmantojot MOSFET. Dizains ir tik vienkāršs, cik tas varētu būt, un sastāvdaļas ir viegli pieejamas. Es rakstu šo pamācību, jo man pašam bija daudz grūtību atrast noderīgu materiālu par projektu un vienkāršu īstenošanas metodi.

Ceru, ka jums patiks lasīt pamācību, un es esmu pārliecināts, ka tas jums palīdzēs.

1. darbība. Ievads

"Audio jaudas pastiprinātājs (vai jaudas pastiprinātājs) ir elektronisks pastiprinātājs, kas stiprina mazjaudas, nedzirdamus elektroniskos audio signālus, piemēram, signālu no radio uztvērēja vai elektriskās ģitāras uztveršanas līdz līmenim, kas ir pietiekami spēcīgs, lai vadītu skaļruņus vai austiņas."

Tas ietver gan pastiprinātājus, ko izmanto mājas audio sistēmās, gan mūzikas instrumentu pastiprinātājus, piemēram, ģitāras pastiprinātājus.

Audio pastiprinātāju 1909. gadā izgudroja Lī De Forests, kad viņš izgudroja triodes vakuuma cauruli (jeb "vārstu" britu angļu valodā). Triode bija trīs gala ierīce ar vadības režģi, kas var modulēt elektronu plūsmu no kvēldiega uz plāksni. Trioda vakuuma pastiprinātājs tika izmantots pirmā AM radio izgatavošanai. Agrīnie audio jaudas pastiprinātāji balstījās uz vakuuma caurulēm. Tā kā mūsdienās tiek izmantoti uz tranzistoriem balstīti pastiprinātāji, kas ir vieglāki, uzticamāki un prasa mazāk apkopes nekā cauruļu pastiprinātāji. Audio pastiprinātāju lietojumos ietilpst mājas audio sistēmas, koncertu un teātra skaņas pastiprināšana un skaļruņu sistēmas. Skaņas kartē personālajā datorā, katrā stereo sistēmā un katrā mājas kinozāles sistēmā ir viens vai vairāki audio pastiprinātāji. Citas lietojumprogrammas ietver instrumentu pastiprinātājus, piemēram, ģitāras pastiprinātājus, profesionālus un amatieru mobilos radio un pārnēsājamus patēriņa produktus, piemēram, spēles un bērnu rotaļlietas. Šeit parādītais pastiprinātājs izmanto mosfetus, lai sasniegtu vēlamās audio pastiprinātāja specifikācijas. Projektēšanā tiek izmantota pastiprinājuma un jaudas pakāpe, lai sasniegtu nepieciešamo pastiprinājumu un joslas platumu.

2. darbība: dizains un daži svarīgi pastiprinātāja posmi

Pastiprinātāja specifikācijās ietilpst:

Jauda 0,5 W.

Joslas platums 100Hz-10KHz

ĶĒDES GAITA: Pirmais mērķis ir panākt ievērojamu jaudas pieaugumu, kas ir pietiekams, lai izvadā caur skaļruņiem dotu trokšņa brīvu audio signālu. Lai to panāktu, pastiprinātājā tika izmantoti šādi posmi:

1. Gain Stage: pastiprinājuma stadijā tiek izmantota potenciāla dalītāja neobjektīva mosfet pastiprinātāja ķēde. Potenciālā dalītāja neobjektīvā ķēde ir parādīta 1. attēlā.

Tas vienkārši pastiprina ieejas signālu un rada pastiprinājumu saskaņā ar (1) vienādojumu.

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

Šeit R1 un R2 ir ieejas pretestības, rs ir avota pretestība, RD ir pretestība starp spriegumu un drenāžu, un RL ir slodzes pretestība.

gm ir vadītspēja, kas tiek definēta kā drenāžas strāvas izmaiņu attiecība pret vārtu sprieguma izmaiņām.

Tas tiek dots kā

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

Lai iegūtu vēlamo pieaugumu, trīs potenciālās dalītāja aizsprostotās shēmas tika kaskādētas virknē, un kopējais pieaugums ir atsevišķu posmu peļņas rezultāts.

Kopējais pieaugums = A1*A2*A3 (3)

Kur A1, A2 un A3 ir attiecīgi pirmā, otrā un trešā posma ieguvumi.

Posmi ir izolēti viens no otra, izmantojot savstarpēji savienotus kondensatorus, kas ir RC sakabe.

2. Jaudas posms: Push pull pastiprinātājs ir pastiprinātājs, kuram ir izejas pakāpe, kas caur slodzi var vadīt strāvu jebkurā virzienā.

Tipiska spiediena pastiprinātāja izejas posms sastāv no diviem identiskiem BJT vai MOSFET, no kuriem viens iegūst strāvu caur slodzi, bet otrs - noslogo strāvu no slodzes. Push pull pastiprinātāji ir pārāki par viena gala pastiprinātājiem (izmantojot vienu tranzistoru pie izejas slodzes vadīšanai) izkropļojumu un veiktspējas ziņā. Vienpusējs pastiprinātājs, cik labi tas var būt konstruēts, noteikti radīs zināmus izkropļojumus tā dinamisko pārneses īpašību nelinearitātes dēļ.

Push pull pastiprinātājus parasti izmanto situācijās, kad nepieciešama neliela deformācija, augsta efektivitāte un liela izejas jauda.

Push pull pastiprinātāja pamatdarbība ir šāda:

"Pastiprināmais signāls vispirms tiek sadalīts divos identiskos signālos 180 ° ārpus fāzes. Parasti šo sadalīšanu veic, izmantojot ieejas sakabes transformatoru. Ieejas sakabes transformators ir sakārtots tā, ka viens signāls tiek ievadīts viena tranzistora ieejai un cita signāla ievadīšanai tiek izmantots cits signāls."

Push pull pastiprinātāja priekšrocības ir zems izkropļojums, magnētiskā piesātinājuma neesamība sakabes transformatora kodolā un strāvas padeves viļņu atcelšana, kā rezultātā nav dūkoņas, savukārt trūkumi ir vajadzība pēc diviem identiskiem tranzistoriem un prasība pēc lielgabarīta un dārgas sakabes. transformatori. Jaudas palielināšanas posms tika kaskādēts kā audio pastiprinātāja ķēdes pēdējais posms.

ĶĒDES BŪTĪBAS ATBILDE:

Kapacitātei ir dominējoša loma mūsdienu elektronisko shēmu laika un frekvences reakcijas veidošanā. Ir veikta plaša un padziļināta eksperimentāla izpēte par dažādu kondensatoru lomu maza signāla MOSFET pastiprinātāja ķēdē.

Īpašs uzsvars tika likts uz pamatjautājumu risināšanu, kas saistīti ar MOSFET pastiprinātāju kapacitāti, nevis dizaina pārveidošanu. Eksperimentam tika izmantoti trīs dažādi uzlabošanas n-kanālu MOSFET (2N7000 modelis, turpmāk tekstā-MOS-1, MOS-2 un MOS-3), ko ražojusi Motorola Inc. Pētījums atklāj vairākas svarīgas jaunas pastiprinātāju funkcijas. Tas norāda, ka, izstrādājot mazo signālu MOS pastiprinātājus, nekad nevajadzētu uzskatīt par pašsaprotamu, ka sakabes un apvada kondensatori darbojas kā īssavienojums un neietekmē maiņstrāvas ieejas un izejas spriegumu. Faktiski tie veicina sprieguma līmeni, kas redzams gan pastiprinātāja ieejas, gan izejas portā. Pārdomāti izvēloties savienošanas un apvedceļa darbībām, tie nosaka pastiprinātāja faktisko sprieguma pieaugumu dažādās ieejas signāla frekvencēs.

Zemākās izslēgšanas frekvences nosaka sakabes un apvedceļa kondensatoru vērtības, turpretī augšējā robeža ir šunta kapacitātes rezultāts. Šī šunta kapacitāte ir izkliedētā kapacitāte, kas atrodas starp tranzistora savienojumiem.

Kapacitāti nosaka pēc formulas.

C = (Platība * Ebsilon) / attālums (4)

Kondensatoru vērtība ir izvēlēta tā, lai izejas joslas platums būtu no 100 līdz 10 KHz, un signāls virs un zem šīs frekvences ir vājināts.

Skaitļi:

1. attēls. Potenciālā dalītāja neobjektīvā MOSFET shēma

2. attēls Jaudas pastiprinātāja ķēde, izmantojot BJT

3. attēls. MOSFET frekvences reakcija

3. darbība: programmatūras un aparatūras ieviešana

Ķēde tika izstrādāta un modelēta ar PROTEUS programmatūru, kā parādīts 4. attēlā. Tā pati shēma tika ieviesta uz PCB un tika izmantotas tās pašas sastāvdaļas.

Visi rezistori ir paredzēti 1 vatam un kondensatori 50 voltiem, lai izvairītos no bojājumiem.

Izmantoto komponentu saraksts ir norādīts zemāk:

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 = PADOMS122

Q5 = PADOMS127

Ķēde vienkārši sastāv no trim pastiprinājuma posmiem, kas savienoti kaskādē.

Pastiprināšanas posmi ir savienoti, izmantojot RC savienojumu. RC sakabe ir visplašāk izmantotā savienošanas metode daudzpakāpju pastiprinātājos. Šajā gadījumā pretestība R ir rezistors, kas savienots ar avota spaili, un kondensators C ir pievienots starp pastiprinātājiem. To sauc arī par bloķējošo kondensatoru, jo tas bloķēs līdzstrāvas spriegumu. Izeja pēc tam, kad ir izgājusi cauri šiem posmiem, sasniedz jaudas pakāpi. Barošanas posmā tiek izmantoti BJT tranzistori (viens npn un viens pnp). Šīs pakāpes izejā ir pievienots skaļrunis, un mēs iegūstam pastiprinātu audio signālu. Simulācijai shēmai dotais signāls ir 10 mV sin vilnis, un skaļruņa izeja ir 2,72 V sin vilnis.

Skaitļi:

4. attēls. PROTEUS ķēde

5. attēls. Gain Stage

6. attēls

7. attēls. 1. pastiprinājuma pakāpes izeja (pastiprinājums = 7)

8. attēls. 2. pastiprinājuma pakāpes izeja (peļņa = 6.92)

9. attēls. 3. pastiprinājuma pakāpes izeja (pastiprinājums = 6.35)

10. attēls. Trīs pastiprinājuma posmu izvade (kopējais pieaugums = 308)

11. attēls. Izeja skaļrunī

4. darbība: PCB izkārtojums

Shēma, kas parādīta 4. attēlā, tika ieviesta uz PCB.

Iepriekš ir daži PCB programmatūras dizaina fragmenti

Skaitļi:

12. attēls. PCB izkārtojums

13. attēls. PCB izkārtojums (pdf)

14. attēls. 3D skats (skats no augšas)

15. attēls. 3D skats (BOTTOM VIEW)

16. attēls Aparatūra (BOTTOM VIEW) Augšējais skats jau ir redzams pirmajā attēlā

5. darbība. Secinājums

Izmantojot īsu kanālu jaudas MOSFET lielu pastiprinājumu un lielu ieejas pretestību, ir izveidota vienkārša shēma, lai nodrošinātu pietiekamu piedziņu pastiprinātājiem līdz 0,5 vatu izejai.

Tā piedāvā veiktspēju, kas atbilst augstas kvalitātes audio reproducēšanas kritērijiem. Svarīgas lietojumprogrammas ietver skaļruņu sistēmas, teātra un koncertu skaņas pastiprināšanas sistēmas un sadzīves sistēmas, piemēram, stereo vai mājas kinozāles sistēmu.

Instrumentu pastiprinātāji, ieskaitot ģitāras pastiprinātājus un elektriskos tastatūras pastiprinātājus, izmanto arī audio pastiprinātājus.

6. darbība: īpašs paldies

Es īpaši pateicos draugiem, kuri man palīdzēja sasniegt šī projekta rezultātus.

Es ceru, ka jums patika šī pamācība. Par jebkādu palīdzību, es priecātos, ja jūs komentētu.

Paliec svētīts. Uz redzēšanos:)

Tahir Ul Haq, EE DEPT, UET

Lahora, Pakistāna