УСИЛИТЕЛЬ ЗВУКА MOSFET (низкий уровень шума и высокое усиление): 6 ступеней (с изображениями)

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2025-01-23 15:05

Привет ребята!

Этот проект представляет собой разработку и реализацию аудиоусилителя малой мощности с использованием полевых МОП-транзисторов. Дизайн настолько прост, насколько это возможно, а компоненты легко доступны. Я пишу это руководство, так как сам столкнулся с большими трудностями при поиске полезного материала по проекту и простого метода его реализации.

Надеюсь, вам понравится читать инструкции, и я уверен, что они вам помогут.

Шаг 1. Введение

«Усилитель мощности звука (или усилитель мощности) - это электронный усилитель, который усиливает маломощные неслышимые электронные аудиосигналы, такие как сигнал от радиоприемника или звукоснимателя электрогитары, до уровня, достаточного для включения громкоговорителей или наушников».

Сюда входят как усилители, используемые в домашних аудиосистемах, так и усилители музыкальных инструментов, такие как гитарные усилители.

Звуковой усилитель был изобретен в 1909 году Ли Де Форестом, когда он изобрел триодную вакуумную лампу (или «клапан» на британском английском языке). Триод представлял собой трехполюсное устройство с управляющей сеткой, которая могла модулировать поток электронов от нити накала к пластине. Триодный вакуумный усилитель был использован для создания первого AM-радио. Ранние усилители мощности звука были основаны на электронных лампах. В то же время используются современные усилители на основе транзисторов, которые легче по весу, более надежны и требуют меньшего обслуживания, чем ламповые усилители. Применения звуковых усилителей включают домашние аудиосистемы, концертные и театральные системы звукоусиления и системы оповещения. Звуковая карта персонального компьютера, каждой стереосистемы и каждого домашнего кинотеатра содержит один или несколько усилителей звука. Другие применения включают инструментальные усилители, такие как гитарные усилители, профессиональные и любительские мобильные радиоприемники, а также портативные потребительские товары, такие как игры и детские игрушки. В представленном здесь усилителе используются МОП-транзисторы для достижения желаемых характеристик аудиоусилителя. В конструкции используется каскад усиления и мощности для достижения необходимого усиления и полосы пропускания.

Шаг 2: проектирование и некоторые важные каскады усилителя

Технические характеристики усилителя включают:

Выходная мощность 0,5 Вт.

Полоса пропускания 100 Гц-10 кГц

УСИЛЕНИЕ ЦЕПИ: Первая цель - добиться значительного прироста мощности, достаточного для получения аудиосигнала без шума на выходе через динамики. Для этого в усилителе использовались следующие каскады:

1. Каскад усиления: В каскаде усиления используется схема усилителя на МОП-транзисторе со смещением делителя напряжения. Схема смещения делителя потенциала показана на рисунке 1.

Он просто усиливает входной сигнал и производит усиление в соответствии с уравнением (1).

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

Здесь R1 и R2 - входные сопротивления, rs - сопротивление истока, RD - сопротивление между напряжением смещения и стоком, а RL - сопротивление нагрузки.

gm - крутизна, которая определяется как отношение изменения тока стока к изменению напряжения затвора.

Это дается как

gm = дельта (ID) / дельта (VGS) (2)

Чтобы получить желаемое усиление, три цепи смещенного делителя потенциала были последовательно соединены каскадом, и общий коэффициент усиления является произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов.

Общий выигрыш = A1 * A2 * A3 (3)

Где A1, A2 и A3 - коэффициенты усиления первой, второй и третьей ступеней соответственно.

Каскады изолированы друг от друга с помощью соединенных между собой конденсаторов, то есть RC-связи.

2. Силовой каскад. Двухтактный усилитель - это усилитель с выходным каскадом, который может пропускать ток в любом направлении через нагрузку.

Выходной каскад типичного двухтактного усилителя состоит из двух идентичных транзисторов BJT или MOSFET, один из которых передает ток через нагрузку, а другой - отводит ток от нагрузки. Двухтактные усилители превосходят усилители с несимметричным выходом (с использованием одного транзистора на выходе для управления нагрузкой) с точки зрения искажений и производительности. Несимметричный усилитель, насколько бы хорошо он ни был спроектирован, наверняка внесет некоторые искажения из-за нелинейности его динамических передаточных характеристик.

Двухтактные усилители обычно используются в ситуациях, когда требуются низкий уровень искажений, высокий КПД и высокая выходная мощность.

Основные операции двухтактного усилителя заключаются в следующем:

«Усиливаемый сигнал сначала разделяется на два идентичных сигнала, сдвинутых по фазе на 180 °. Обычно это разделение выполняется с помощью входного соединительного трансформатора. Входной соединительный трансформатор устроен так, что один сигнал подается на вход одного транзистора, а другой сигнал подается на вход другого транзистора ».

Преимуществами двухтактного усилителя являются низкие искажения, отсутствие магнитного насыщения в сердечнике трансформатора связи и устранение пульсаций источника питания, что приводит к отсутствию шума, а недостатками являются необходимость в двух идентичных транзисторах и необходимость громоздкой и дорогостоящей связи. трансформаторы. Каскад усиления мощности был каскадирован как заключительный каскад схемы звукового усилителя.

ЧАСТОТНЫЙ ОТВЕТ ЦЕПИ:

Емкость играет доминирующую роль в формировании временной и частотной характеристики современных электронных схем. Было проведено обширное и глубокое экспериментальное исследование роли различных конденсаторов в схеме усилителя малосигнального полевого МОП-транзистора.

Особое внимание было уделено решению основных проблем, связанных с емкостями в усилителях MOSFET, а не изменению конструкции. В эксперименте использовались три различных усовершенствованных n-канальных полевых МОП-транзистора (модель 2N7000, далее именуемая МОП-1, МОП-2 и МОП-3) производства Motorola Inc. Исследование раскрывает несколько важных новых функций усилителей. Это указывает на то, что при разработке малосигнальных МОП-усилителей никогда не следует принимать как должное, что конденсаторы связи и шунтирующие конденсаторы действуют как короткое замыкание и не влияют на входное и выходное напряжение переменного тока. Фактически, они вносят вклад в уровни напряжения, наблюдаемые как на входе, так и на выходе усилителя. При разумном выборе для операций соединения и байпаса они определяют фактическое усиление напряжения усилителя при различных частотах входного сигнала.

Нижние частоты отсечки определяются значениями конденсаторов связи и байпаса, тогда как верхние частоты отсечки являются результатом шунтирующей емкости. Эта шунтирующая емкость представляет собой паразитную емкость между переходами транзистора.

Емкость рассчитывается по формуле.

C = (Площадь * Эбсилон) / расстояние (4)

Значение конденсаторов выбирается таким образом, чтобы выходная полоса пропускания находилась в пределах 100–10 кГц, а сигнал выше и ниже этой частоты ослаблялся.

Цифры:

Рис.1 Схема полевого МОП-транзистора со смещением потенциального делителя

Рисунок 2 Схема усилителя мощности с использованием BJT

Рисунок 3 Частотная характеристика полевого МОП-транзистора

Шаг 3. Внедрение программного и аппаратного обеспечения

Схема была разработана и смоделирована в программном обеспечении PROTEUS, как показано на рисунке 4. Та же схема была реализована на печатной плате и использовались те же компоненты.

Все резисторы рассчитаны на 1 ватт, а конденсаторы на 50 вольт, чтобы избежать повреждений.

Список используемых компонентов приведен ниже:

R1, R5, R9 = 1 МОм

R2, R6, R11 = 68 Ом

R3, R7, R10 = 230 кОм

R4, R8, R12 = 1 кОм

R13, R14 = 10 кОм

C1, C2, C3, C4, C5 = 4,7 мкФ

C6, C7 = 1,5 мкФ

Q1, Q2, Q3 = 2N7000

Q4 = TIP122

Q5 = TIP127

Схема просто состоит из трех каскадов усиления, соединенных каскадом.

Каскады усиления подключаются через RC-цепочку. RC-связь - наиболее широко используемый метод связи в многокаскадных усилителях. В этом случае сопротивление R - это резистор, подключенный к выводу истока, а конденсатор C подключен между усилителями. Его также называют блокирующим конденсатором, поскольку он блокирует постоянное напряжение. Вход после прохождения этих стадий достигает силовой стадии. В силовом каскаде используются транзисторы BJT (один npn и один pnp). На выходе этого каскада подключается громкоговоритель и мы получаем усиленный звуковой сигнал. Сигнал, подаваемый на схему для моделирования, представляет собой синусоидальную волну 10 мВ, а на выходе громкоговорителя - синусоидальную волну 2,72 В.

ЦИФРЫ:

Рисунок 4 Схема PROTEUS

Рис.5 Стадия усиления

Рис.6 Силовой каскад

Рисунок.7 Выход каскада усиления 1 (усиление = 7)

Рис.8 Выход каскада усиления 2 (усиление = 6,92)

Рисунок.9 Выход каскада усиления 3 (усиление = 6,35)

Рисунок 10 Выход трех каскадов усиления (общее усиление = 308)

Рисунок 11 Выход на громкоговоритель

Шаг 4: ПЛАН ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Схема, показанная на рисунке 4, была реализована на печатной плате.

Выше приведены некоторые фрагменты программного обеспечения печатной платы.

ЦИФРЫ:

Рис.12 Компоновка печатной платы

Рис.13 Схема печатной платы (pdf)

Рисунок 14 3D-вид (ВИД сверху)

Рис.15 3D-вид (ВИД СНИЗУ)

Рисунок 16 Оборудование (ВИД СНИЗУ) Вид сверху уже присутствует на первом изображении

Шаг 5: Заключение

Используя высокий коэффициент усиления и высокое входное сопротивление мощных МОП-транзисторов с коротким каналом, была разработана простая схема, обеспечивающая достаточную мощность для усилителей мощностью до 0,5 Вт.

Он предлагает производительность, соответствующую критериям высококачественного воспроизведения звука. К важным приложениям относятся системы громкой связи, системы звукоусиления для театров и концертов, а также домашние системы, такие как стереосистема или домашний кинотеатр.

В инструментальных усилителях, включая гитарные усилители и усилители электрических клавишных, также используются усилители звука.

Шаг 6. Особая благодарность

Особо благодарю друзей, которые помогли мне в достижении результатов этого проекта.

Надеюсь, вам понравилось это наставление. За любую помощь, я буду рад, если вы прокомментируете.

Оставайтесь счастливыми. Увидимся:)

Тахир Уль Хак, EE DEPT, UET

Лахор, Пакистан