MOSFET AUDIOVERSTERKER (Low Noise en High Gain): 6 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:19

Hallo jongens!

Dit project is het ontwerp en de implementatie van een Low Power Audio-versterker met behulp van MOSFET's. Het ontwerp is zo eenvoudig als het zou kunnen zijn en de componenten zijn gemakkelijk verkrijgbaar. Ik schrijf dit instructable omdat ik zelf veel moeite heb ondervonden bij het vinden van nuttig materiaal met betrekking tot het project en een eenvoudige methode voor de implementatie.

Ik hoop dat je geniet van het lezen van de instructable en ik ben er zeker van dat het je zal helpen.

Stap 1: Inleiding

"Een audio-eindversterker (of eindversterker) is een elektronische versterker die onhoorbare elektronische audiosignalen met een laag vermogen, zoals het signaal van een radio-ontvanger of een elektrische gitaarpickup, versterkt tot een niveau dat sterk genoeg is om luidsprekers of koptelefoons aan te sturen."

Dit omvat zowel versterkers die worden gebruikt in home-audiosystemen als versterkers voor muziekinstrumenten, zoals gitaarversterkers.

De audioversterker werd in 1909 uitgevonden door Lee De Forest toen hij de triode vacuümbuis (of "klep" in Brits Engels) uitvond. De triode was een apparaat met drie aansluitingen met een stuurrooster dat de stroom van elektronen van de gloeidraad naar de plaat kan moduleren. De triode vacuümversterker werd gebruikt om de eerste AM-radio te maken. Vroege audio eindversterkers waren gebaseerd op vacuümbuizen. Terwijl tegenwoordig op transistors gebaseerde versterkers worden gebruikt die lichter in gewicht zijn, betrouwbaarder en minder onderhoud vergen dan buizenversterkers. Toepassingen voor audioversterkers zijn onder meer home-audiosystemen, concert- en theatergeluidsversterking en omroepinstallaties. De geluidskaart in een personal computer, elk stereosysteem en elk thuisbioscoopsysteem bevat één of meerdere audioversterkers. Andere toepassingen zijn instrumentversterkers zoals gitaarversterkers, professionele en amateur mobiele radio en draagbare consumentenproducten zoals games en kinderspeelgoed. De hier gepresenteerde versterker gebruikt mosfets om de gewenste specificaties van een audioversterker te bereiken. In het ontwerp wordt een versterkings- en vermogensfase gebruikt om de vereiste versterking en bandbreedte te bereiken.

Stap 2: Ontwerp en enkele belangrijke versterkerfasen

De specificaties van de versterker zijn onder meer:

Uitgangsvermogen 0,5 W.

Bandbreedte 100Hz-10KHz

VERSTERKING VAN HET CIRCUIT: Het eerste doel is om een aanzienlijke vermogensversterking te bereiken die voldoende is om een ruisvrij audiosignaal te geven aan de uitgang via luidsprekers. Om dit te bereiken werden de volgende trappen in de versterker toegepast:

1. Versterkingstrap: de versterkingstrap maakt gebruik van een potentiaalverdeler vooringenomen mosfet-versterkercircuit. Het voorgespannen circuit van de potentiaaldeler wordt getoond in figuur 1.

Het versterkt eenvoudig het ingangssignaal en produceert versterking volgens de vergelijking (1).

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

Hier zijn R1 en R2 de ingangsweerstanden, rs is de bronweerstand, RD is de weerstand tussen voorspanning en afvoer en RL is de belastingsweerstand.

gm is transconductantie die wordt gedefinieerd als de verhouding van de verandering in afvoerstroom tot de verandering in poortspanning.

Het wordt gegeven als

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

Om de gewenste versterking te produceren, werden drie potentiaaldeler voorgespannen circuits in serie gecascadeerd en de totale versterking is het product van de versterkingen van individuele trappen.

Totale versterking = A1*A2*A3 (3)

Waarbij A1, A2 en A3 de winsten zijn van respectievelijk de eerste, tweede en derde fase.

De trappen zijn van elkaar geïsoleerd met behulp van onderling verbonden condensatoren die RC-koppeling zijn.

2. Vermogenstrap: een push-pull-versterker is een versterker met een uitgangstrap die een stroom in beide richtingen door de belasting kan sturen.

De uitgangstrap van een typische push-pull-versterker bestaat uit twee identieke BJT's of MOSFET's, de ene stroom door de belasting, terwijl de andere de stroom van de belasting laat dalen. Push pull-versterkers zijn superieur aan single-ended versterkers (met een enkele transistor aan de uitgang voor het aandrijven van de belasting) in termen van vervorming en prestaties. Een single-ended versterker, hoe goed deze ook is ontworpen, zal zeker enige vervorming introduceren vanwege de niet-lineariteit van zijn dynamische overdrachtskarakteristieken.

Push pull versterkers worden vaak gebruikt in situaties waar lage vervorming, hoog rendement en hoog uitgangsvermogen vereist zijn.

De basiswerking van een push-pull-versterker is als volgt:

"Het te versterken signaal wordt eerst gesplitst in twee identieke signalen 180° uit fase. In het algemeen wordt deze splitsing gedaan met behulp van een ingangskoppeltransformator. De ingangskoppeltransformator is zo opgesteld dat één signaal wordt toegevoerd aan de ingang van een transistor en ander signaal wordt toegevoerd aan de ingang van de andere transistor."

Voordelen van een push-pull-versterker zijn lage vervorming, afwezigheid van magnetische verzadiging in de kern van de koppelingstransformator en opheffing van rimpelingen in de voeding, wat resulteert in de afwezigheid van brom, terwijl de nadelen de noodzaak zijn van twee identieke transistors en de vereiste van omvangrijke en dure koppeling transformatoren. Een vermogensversterkingstrap werd gecascadeerd als de laatste trap van het audioversterkercircuit.

FREQUENTIERESPONS VAN HET CIRCUIT:

Capaciteit speelt een dominante rol bij het vormgeven van de tijd- en frequentierespons van moderne elektronische circuits. Er is een uitgebreid en diepgaand experimenteel onderzoek uitgevoerd naar de rol van verschillende condensatoren in MOSFET-versterkerschakelingen met een klein signaal.

Er is bijzondere nadruk gelegd op het aanpakken van basisproblemen met betrekking tot capaciteiten in MOSFET-versterkers, in plaats van het ontwerp aan te passen. Voor het experiment zijn drie verschillende n-kanaals MOSFET's voor verbetering gebruikt (2N7000-model, hierna MOS-1, MOS-2 en MOS-3) genoemd, vervaardigd door Motorola Inc. De studie onthult een aantal belangrijke nieuwe kenmerken van de versterkers. Het geeft aan dat bij het ontwerp van MOS-versterkers met een klein signaal het nooit als vanzelfsprekend mag worden aangenomen dat koppel- en bypass-condensatoren als kortsluiting fungeren en geen effect hebben op de AC-ingangs- en uitgangsspanningen. In feite dragen ze bij aan de spanningsniveaus die te zien zijn aan zowel de ingangs- als de uitgangspoort van de versterker. Wanneer oordeelkundig gekozen voor koppelings- en bypass-bewerkingen, dicteren ze de werkelijke spanningsversterking van de versterker bij verschillende frequenties van het ingangssignaal.

De lagere afsnijfrequenties worden bepaald door de waarden van koppelings- en bypass-condensatoren, terwijl de bovenste afsnijfrequentie het resultaat is van shuntcapaciteit. Deze shuntcapaciteit is de parasitaire capaciteit die aanwezig is tussen de knooppunten van de transistor.

De capaciteit wordt gegeven door de formule.

C = (Gebied * Ebsilon) / afstand (4)

De waarde van de condensatoren is zo gekozen dat de uitgangsbandbreedte tussen 100-10KHz ligt en het signaal boven en onder deze frequentie wordt verzwakt.

Figuren:

Afbeelding.1 Potentiaalverdeler vooringenomen MOSFET-circuit

Afbeelding.2 Eindversterkercircuit met BJT

Figuur.3 Frequentierespons van MOSFET

Stap 3: Software- en hardware-implementatie

De schakeling is ontworpen en gesimuleerd met PROTEUS-software zoals weergegeven in figuur 4. Dezelfde schakeling werd geïmplementeerd op de printplaat en er werden dezelfde componenten gebruikt.

Alle weerstanden zijn geschikt voor 1 Watt en condensatoren voor 50 volt om schade te voorkomen.

De lijst met gebruikte componenten vindt u hieronder:

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 = TIP127

Het circuit bestaat eenvoudigweg uit drie versterkingstrappen die in cascade zijn aangesloten.

Versterkingstrappen zijn verbonden via RC-koppeling. RC-koppeling is de meest gebruikte koppelingsmethode in meertrapsversterkers. In dit geval is de weerstand R de weerstand die is aangesloten op de bronaansluiting en de condensator C is aangesloten tussen de versterkers. Het wordt ook wel een blokkeercondensator genoemd, omdat het de gelijkspanning blokkeert. De input na het doorlopen van deze trappen bereikt de vermogenstrap. De eindtrap maakt gebruik van BJT-transistoren (één npn en één pnp). Luidspreker is aangesloten op de uitgang van deze trap en we krijgen een versterkt audiosignaal. Het signaal dat voor simulatie aan het circuit wordt gegeven, is een sinusgolf van 10 mV en de uitgang van de luidspreker is een sinusgolf van 2,72 V.

FIGUREN:

Figuur.4 PROTEUS-circuit

Afbeelding.5 Versterkingsfase

Afbeelding.6 Vermogenstrap

Afbeelding.7 Uitgang van versterkingstrap 1 (versterking = 7)

Afbeelding.8 Uitgang van versterkingstrap 2 (versterking = 6,92)

Afbeelding.9 Uitgang van versterkingstrap 3 (versterking = 6,35)

Afbeelding.10 Uitgang van drie versterkingstrappen (Totale versterking = 308)

Afbeelding.11 Uitgang bij de luidspreker

Stap 4: PCB-LAY-OUT

Het circuit getoond in figuur 4 werd geïmplementeerd op de printplaat.

Hierboven zijn enkele fragmenten van het softwareontwerp van de PCB

FIGUREN:

Afbeelding.12 PCB-layout

Figuur.13 PCB-layout (pdf)

Afbeelding.14 3D-aanzicht (BOVENAANZICHT)

Afbeelding.15 3D-weergave (ONDERAANZICHT)

Afbeelding 16 Hardware (BOTTOM VIEW) Bovenaanzicht al aanwezig in de eerste afbeelding

Stap 5: Conclusie

Gebruikmakend van de hoge versterking en hoge ingangsimpedantie van MOSFET's met kort kanaal, is een eenvoudig circuit ontworpen om voldoende aandrijving te bieden voor versterkers tot 0,5 watt.

Het biedt prestaties die voldoen aan de criteria voor audioweergave van hoge kwaliteit. Belangrijke toepassingen zijn onder meer omroepinstallaties, geluidsversterkingssystemen voor theaters en concerten en huishoudelijke systemen zoals stereo- of thuisbioscoopsystemen.

Instrumentversterkers, waaronder gitaarversterkers en elektrische keyboardversterkers, gebruiken ook audioversterkers.

Stap 6: Speciale dank

Ik dank in het bijzonder de vrienden die mij hebben geholpen bij het bereiken van de resultaten van dit project.

Ik hoop dat je genoten hebt van deze instructable. Voor alle hulp zou ik het leuk vinden als je commentaar geeft.

Blijf gezegend. Tot ziens:)

Tahir ul-Haq, EE DEPT, UET

Lahore, Pakistan