تقویت کننده صوتی MOSFET AUDIO (کم صدا و افزایش زیاد): 6 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

سلام بچه ها!

این پروژه طراحی و پیاده سازی تقویت کننده صوتی کم مصرف با استفاده از ماسفت است. طراحی آن تا آنجا که می تواند ساده باشد و اجزای آن به راحتی در دسترس است. من این مطلب را در حالی می نویسم که خودم با مشکلات زیادی در یافتن مطالب مفید در مورد پروژه و روشی آسان برای پیاده سازی مواجه شدم.

امیدوارم از خواندن مطالب آموزشی لذت ببرید و من مطمئن هستم که به شما کمک خواهد کرد.

مرحله 1: مقدمه

"تقویت کننده قدرت صوتی (یا آمپر قدرت) یک تقویت کننده الکترونیکی است که سیگنالهای صوتی الکترونیکی کم قدرت و نامفهوم مانند سیگنال گیرنده رادیویی یا پیکاپ گیتار الکتریک را به حدی می رساند که برای رانندگی بلندگوها یا هدفون به اندازه کافی قوی باشد."

این شامل تقویت کننده های مورد استفاده در سیستم های صوتی خانگی و تقویت کننده های موسیقی مانند تقویت کننده گیتار است.

تقویت کننده صوتی در سال 1909 توسط لی دی فارست هنگامی که لوله خلاء تریود (یا انگلیسی) را به انگلیسی بریتانیایی اختراع کرد ، اختراع شد. تریود یک دستگاه سه پایانه با یک شبکه کنترل بود که می تواند جریان الکترون ها را از رشته به صفحه تعدیل کند. تقویت کننده خلاء تریود برای ساخت اولین رادیوی AM استفاده شد. تقویت کننده های اولیه قدرت صوتی بر اساس لوله های خلاء ساخته شده بودند. در حالی که امروزه از تقویت کننده های مبتنی بر ترانزیستور استفاده می شود که وزن کمتری دارند ، از قابلیت اطمینان بیشتری برخوردارند و نسبت به تقویت کننده های لوله نیاز به تعمیر و نگهداری کمتری دارند. برنامه های کاربردی تقویت کننده های صوتی شامل سیستم های صوتی خانگی ، تقویت صدای کنسرت و تئاتر و سیستم های خطاب عمومی است. کارت صدا در رایانه شخصی ، هر سیستم استریو و هر سیستم سینمای خانگی حاوی یک یا چند تقویت کننده صوتی است. سایر کاربردها شامل تقویت کننده های ساز مانند تقویت کننده گیتار ، رادیو موبایل حرفه ای و آماتور و محصولات مصرفی قابل حمل مانند بازی ها و اسباب بازی های کودکان است. تقویت کننده ارائه شده در اینجا از mosfets برای دستیابی به مشخصات مورد نظر یک تقویت کننده صوتی استفاده می کند. مرحله دستیابی و قدرت در طراحی برای دستیابی به سود و پهنای باند مورد نیاز استفاده می شود.

مرحله 2: طراحی و چند مرحله مهم تقویت کننده

مشخصات تقویت کننده عبارتند از:

توان خروجی 0.5 وات

پهنای باند 100Hz-10KHz

بدست آوردن مدار: هدف اول دستیابی به یک قدرت قابل توجه است که برای ارائه سیگنال صوتی بدون نویز در خروجی از طریق بلندگوها کافی است. برای دستیابی به این هدف مراحل زیر در تقویت کننده بکار گرفته شد:

1. مرحله به دست آوردن: مرحله افزایش از یک مدار تقویت کننده mosfet جهت دار تقسیم کننده بالقوه استفاده می کند. مدار مغرضانه تقسیم کننده بالقوه در شکل 1 نشان داده شده است.

این به سادگی سیگنال ورودی را تقویت می کند و بر اساس معادله (1) سود تولید می کند.

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

در اینجا ، R1 و R2 مقاومت های ورودی ، rs مقاومت منبع ، RD مقاومت بین ولتاژ بایاس و تخلیه و RL مقاومت بار است.

gm رسانایی است که به عنوان نسبت تغییر جریان تخلیه به تغییر ولتاژ دروازه تعریف می شود.

به صورت داده شده است

gm = دلتا (ID) / دلتا (VGS) (2)

برای تولید سود مطلوب ، سه مدار مغرضانه تقسیم کننده بالقوه بصورت سری قرار گرفتند و مجموع سود حاصل دستاوردهای مراحل جداگانه است.

مجموع سود = A1*A2*A3 (3)

جایی که ، A1 ، A2 و A3 به ترتیب دستاوردهای مرحله اول ، دوم و سوم هستند.

مراحل با کمک خازن های به هم پیوسته که اتصال RC است از یکدیگر جدا می شوند.

2. مرحله قدرت: تقویت کننده فشار کش یک تقویت کننده است که دارای مرحله خروجی است که می تواند جریان را در هر جهت از طریق بار عبور دهد.

مرحله خروجی یک تقویت کننده کششی معمولی شامل دو BJT یا MOSFET یکسان است که یک جریان را از طریق بار در حالی که دیگری جریان را از بار خارج می کند ، تشکیل می دهد. آمپلی فایرهای فشاری از نظر اعوجاج و عملکرد بر آمپلی فایرهای تک سر (استفاده از یک ترانزیستور تک در خروجی برای حرکت بار) برتری دارند. تقویت کننده تک سر ، چقدر خوب طراحی شده است ، مطمئناً به دلیل غیر خطی بودن ویژگیهای انتقال پویا ، باعث ایجاد اعوجاج می شود.

تقویت کننده های فشار فشاری معمولاً در شرایطی استفاده می شوند که اعوجاج کم ، راندمان بالا و قدرت خروجی بالا مورد نیاز است.

عملکرد اصلی تقویت کننده فشار کششی به شرح زیر است:

"سیگنال تقویت شده ابتدا 180 درجه خارج از فاز به دو سیگنال یکسان تقسیم می شود. به طور کلی این تقسیم با استفاده از ترانسفورماتور اتصال ورودی انجام می شود. ترانسفورماتور اتصال ورودی به گونه ای چیده شده است که یک سیگنال به ورودی یک ترانزیستور و سیگنال دیگر به ورودی ترانزیستور دیگر اعمال می شود."

مزایای تقویت کننده فشار کششی اعوجاج کم ، عدم اشباع مغناطیسی در هسته ترانسفورماتور کوپلینگ و لغو امواج منبع تغذیه است که منجر به عدم وجود صدای زنگوله می شود در حالی که معایب آن نیاز به دو ترانزیستور یکسان و نیاز به اتصال بزرگ و پرهزینه است. مبدل ها. یک مرحله افزایش قدرت به عنوان آخرین مرحله از مدار تقویت کننده صوتی روی هم رفت.

پاسخ فرکانسی مدار:

خازن نقش مهمی در شکل دهی پاسخ زمان و فرکانس مدارهای الکترونیکی مدرن دارد. یک تحقیق تجربی گسترده و عمیق نقش خازن های مختلف را در مدار تقویت کننده MOSFET با سیگنال کوچک انجام داده است.

تأکید ویژه ای بر پرداختن به مسائل اساسی شامل ظرفیت در تقویت کننده های MOSFET ، به جای تغییر طراحی ، شده است. برای آزمایش از سه MOSFET (N2000 مدل 2N7000 که بعداً به آنها MOS-1 ، MOS-2 و MOS-3 گفته می شود) تولید شده توسط Motorola Inc. استفاده شده است. این مطالعه چندین ویژگی مهم جدید تقویت کننده ها را نشان می دهد. این نشان می دهد که در طراحی تقویت کننده های MOS با سیگنال کوچک ، هرگز نباید این امر را بدیهی تلقی کرد که خازن های اتصال و بای پس به عنوان اتصال کوتاه عمل می کنند و هیچ تاثیری بر ولتاژهای ورودی و خروجی AC ندارند. در واقع ، آنها به سطوح ولتاژ دیده شده در ورودی و خروجی تقویت کننده کمک می کنند. هنگامی که برای عملیات کوپلینگ و بای پس با دقت انتخاب می شوند ، افزایش ولتاژ واقعی تقویت کننده را در فرکانس های مختلف سیگنال ورودی تعیین می کنند.

فرکانس های قطع پایین توسط مقادیر اتصال و خازن های بای پس تنظیم می شود در حالی که قطع بالا نتیجه خازن شنت است. این خازن شنت خازنی سرگردان موجود بین اتصالات ترانزیستور است.

ظرفیت با فرمول داده می شود.

C = (مساحت * ابسیلون) / فاصله (4)

مقدار خازنها طوری انتخاب می شود که پهنای باند خروجی بین 100-10 کیلوهرتز باشد و سیگنال بالا و پایین این فرکانس تضعیف شود.

ارقام:

شکل 1 مدار MOSFET مغرضانه تقسیم کننده بالقوه

شکل 2 مدار تقویت کننده قدرت با استفاده از BJT

شکل 3 پاسخ فرکانسی MOSFET

مرحله 3: پیاده سازی نرم افزار و سخت افزار

همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است ، مدار بر روی نرم افزار PROTEUS طراحی و شبیه سازی شده است. مدار مشابه روی PCB پیاده سازی شده و از قطعات مشابه استفاده شده است.

تمام مقاومتها 1 وات و خازنها 50 ولت هستند تا از آسیب جلوگیری شود.

لیست اجزای مورد استفاده در زیر ذکر شده است:

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

مدار به سادگی شامل سه مرحله افزایش است که در آبشار متصل شده اند.

مراحل افزایش از طریق اتصال RC متصل می شوند. کوپلینگ RC پرکاربردترین روش اتصال در تقویت کننده های چند مرحله ای است. در این حالت مقاومت R مقاومتی است که در ترمینال منبع متصل است و خازن C بین تقویت کننده ها متصل است. این خازن مسدود کننده نیز نامیده می شود ، زیرا ولتاژ DC را مسدود می کند. ورودی پس از گذر از این مراحل به مرحله توان می رسد. مرحله قدرت از ترانزیستورهای BJT (یک npn و یک pnp) استفاده می کند. در خروجی این مرحله ، بلندگو متصل است و ما یک سیگنال صوتی تقویت شده دریافت می کنیم. سیگنالی که برای شبیه سازی به مدار داده می شود موج 10 میلی ولت سین و خروجی در بلندگو موج سین 2.72 ولت است.

تصاویر

شکل 4 مدار PROTEUS

شکل 5 مرحله افزایش

شکل 6 مرحله قدرت

شکل 7 خروجی مرحله افزایش 1 (سود = 7)

شکل 8 خروجی مرحله افزایش 2 (سود = 6.92)

شکل 9 خروجی مرحله افزایش 3 (سود = 6.35)

شکل 10 خروجی سه مرحله افزایش (مجموع سود = 308)

شکل 11 خروجی در بلندگو

مرحله 4: طرح PCB

مدار نشان داده شده در شکل 4 روی PCB پیاده سازی شده است.

در بالا چند قطعه از طراحی نرم افزار PCB آمده است

تصاویر

شکل 12 طرح PCB

شکل.13 طرح PCB (pdf)

شکل. 14 نمای سه بعدی (نمای برتر)

شکل 15 نمای سه بعدی (نمای پایین)

شکل 16 سخت افزار (نمای پایینی) نمای بالایی که در تصویر اول وجود دارد

مرحله 5: نتیجه گیری

با استفاده از سود زیاد و امپدانس ورودی زیاد MOSFET های قدرت کانال کوتاه ، یک مدار ساده طراحی شده است تا درایو کافی برای تقویت کننده ها تا خروجی 0.5 وات را فراهم کند.

این عملکرد را ارائه می دهد که معیارهای تولید مثل با کیفیت بالا را دارد. برنامه های مهم شامل سیستم های آدرس عمومی ، سیستم های تقویت صدای تئاتر و کنسرت و سیستم های داخلی مانند سیستم استریو یا سینمای خانگی است.

تقویت کننده های دستگاه شامل تقویت کننده های گیتار و تقویت کننده های صفحه کلید برقی نیز از تقویت کننده های صوتی استفاده می کنند.

مرحله ششم: تشکر ویژه

من از دوستانی که در دستیابی به نتایج این پروژه به من کمک کردند تشکر ویژه می کنم.

امیدوارم از این مطلب آموزنده لذت برده باشید برای هر گونه راهنمایی ، خوشحال می شوم اگر نظر دهید.

خوشبخت بمانید. به امید دیدار:)

طاهر الحق ،

EE DEPT ، UET

لاهور، پاکستان