MOSFET AUDIO AMPLIFIER (สัญญาณรบกวนต่ำและอัตราขยายสูง): 6 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

สวัสดีทุกคน!

โครงการนี้เป็นการออกแบบและใช้งานเครื่องขยายเสียงพลังเสียงต่ำโดยใช้ MOSFET การออกแบบนั้นเรียบง่ายอย่างที่ควรจะเป็นและส่วนประกอบก็หาได้ง่าย ฉันกำลังเขียนคำแนะนำนี้เนื่องจากตัวฉันเองประสบปัญหามากมายในการค้นหาเนื้อหาที่เป็นประโยชน์เกี่ยวกับโครงการและวิธีการที่ง่ายสำหรับการนำไปใช้

หวังว่าคุณจะสนุกกับการอ่านคำแนะนำและฉันมั่นใจว่าจะช่วยคุณได้

ขั้นตอนที่ 1: บทนำ

"เครื่องขยายกำลังเสียง (หรือเพาเวอร์แอมป์) เป็นเครื่องขยายสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ที่เสริมกำลังสัญญาณเสียงอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้พลังงานต่ำและไม่ได้ยิน เช่น สัญญาณจากเครื่องรับวิทยุหรือปิ๊กอัพกีต้าร์ไฟฟ้า ให้อยู่ในระดับที่แรงพอสำหรับขับลำโพงหรือหูฟัง"

ซึ่งรวมถึงทั้งแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้กับระบบเครื่องเสียงในบ้านและแอมพลิฟายเออร์เครื่องดนตรี เช่น แอมพลิฟายเออร์กีตาร์

เครื่องขยายเสียงถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1909 โดย Lee De Forest เมื่อเขาคิดค้นหลอดสุญญากาศไตรโอด (หรือ "วาล์ว" ในภาษาอังกฤษแบบอังกฤษ) ไตรโอดเป็นอุปกรณ์ปลายทางสามตัวที่มีกริดควบคุมที่สามารถปรับการไหลของอิเล็กตรอนจากไส้หลอดไปยังเพลตได้ แอมพลิฟายเออร์สุญญากาศไตรโอดถูกใช้เพื่อสร้างวิทยุ AM เครื่องแรก แอมพลิฟายเออร์พลังเสียงในยุคแรกนั้นใช้หลอดสุญญากาศ ในขณะที่ปัจจุบันใช้แอมพลิฟายเออร์ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ซึ่งมีน้ำหนักเบากว่า เชื่อถือได้มากกว่า และต้องการการบำรุงรักษาน้อยกว่าแอมพลิฟายเออร์หลอด แอพพลิเคชั่นสำหรับเครื่องขยายเสียง ได้แก่ ระบบเครื่องเสียงสำหรับใช้ภายในบ้าน ระบบเสริมเสียงสำหรับคอนเสิร์ตและการแสดงละคร และระบบเสียงประกาศสาธารณะ การ์ดเสียงในคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล ทุกระบบสเตอริโอ และระบบโฮมเธียเตอร์ทุกเครื่องมีเครื่องขยายเสียงหนึ่งเครื่องหรือหลายเครื่อง การใช้งานอื่นๆ ได้แก่ เครื่องขยายเสียงเครื่องดนตรี เช่น เครื่องขยายเสียงกีตาร์ วิทยุเคลื่อนที่สำหรับมืออาชีพและมือสมัครเล่น และสินค้าอุปโภคบริโภคแบบพกพา เช่น เกมและของเล่นเด็ก แอมพลิฟายเออร์ที่นำเสนอในที่นี้ใช้มอสเฟตเพื่อให้ได้คุณสมบัติตามที่ต้องการของแอมพลิฟายเออร์เสียง ระยะเกนและกำลังถูกใช้ในการออกแบบเพื่อให้ได้เกนและแบนด์วิดธ์ที่ต้องการ

ขั้นตอนที่ 2: การออกแบบและขั้นตอนสำคัญของแอมพลิฟายเออร์

ข้อกำหนดของเครื่องขยายเสียงประกอบด้วย:

กำลังขับ 0.5 W.

แบนด์วิดท์ 100Hz-10KHz

กำไรของวงจร: วัตถุประสงค์แรกคือการได้รับพลังงานที่เพิ่มขึ้นมากซึ่งเพียงพอที่จะให้สัญญาณเสียงที่ปราศจากเสียงรบกวนที่เอาต์พุตผ่านลำโพง เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ ได้ใช้ขั้นตอนต่อไปนี้ในแอมพลิฟายเออร์:

1. เกนสเตจ: เกนสเตจใช้วงจรแอมพลิฟายเออร์ biased mosfet ที่มีศักยภาพแบ่ง วงจรอคติตัวแบ่งศักย์ที่อาจเกิดขึ้น รูปที่ 1.

มันขยายสัญญาณอินพุตและสร้างเกนตามสมการ (1)

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

ที่นี่ R1 และ R2 คือความต้านทานอินพุต rs คือความต้านทานแหล่งที่มา RD คือความต้านทานระหว่างแรงดันไบอัสกับการระบายน้ำ และ RL คือความต้านทานโหลด

gm คือทรานส์คอนดักเตอร์ ซึ่งกำหนดเป็นอัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงของกระแสระบายออกต่อการเปลี่ยนแปลงแรงดันเกต

มอบให้เป็น

gm = เดลต้า (ID) / เดลต้า (VGS) (2)

เพื่อให้ได้กำไรที่ต้องการสามวงจรลำเอียงตัวแบ่งที่มีศักยภาพถูกเรียงต่อกันเป็นชุดและอัตราขยายทั้งหมดเป็นผลคูณของกำไรของแต่ละขั้นตอน

กำไรทั้งหมด = A1*A2*A3 (3)

โดยที่ A1, A2 และ A3 คือระยะที่หนึ่ง สอง และสามตามลำดับ

ขั้นตอนถูกแยกออกจากกันโดยใช้ตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อถึงกันซึ่งเป็น RC coupling

2. Power Stage: เครื่องขยายเสียงแบบผลักดึงเป็นเครื่องขยายเสียงที่มีสเตจเอาต์พุตที่สามารถขับกระแสในทิศทางใดทิศทางหนึ่งผ่านโหลด

สเตจเอาท์พุตของเครื่องขยายเสียงแบบพุชพูลทั่วไปประกอบด้วย BJT หรือ MOSFET ที่เหมือนกันสองตัว ตัวหนึ่งจ่ายกระแสผ่านโหลด ในขณะที่อีกตัวหนึ่งกำลังจมกระแสจากโหลด เครื่องขยายเสียงแบบพุชดึงดีกว่าแอมพลิฟายเออร์แบบปลายเดี่ยว (ใช้ทรานซิสเตอร์ตัวเดียวที่เอาต์พุตสำหรับการขับโหลด) ในแง่ของการบิดเบือนและประสิทธิภาพ แอมพลิฟายเออร์ปลายเดียวที่ออกแบบได้ดีเพียงใดจะทำให้เกิดการบิดเบือนเนื่องจากลักษณะการถ่ายโอนแบบไดนามิกที่ไม่เป็นเชิงเส้น

แอมพลิฟายเออร์แบบพุชพูลมักใช้ในสถานการณ์ที่ต้องการความเพี้ยนต่ำ ประสิทธิภาพสูง และกำลังเอาต์พุตสูง

การทำงานพื้นฐานของเครื่องขยายสัญญาณแบบผลักดึงมีดังนี้:

ในขั้นแรก สัญญาณที่จะขยายจะถูกแบ่งออกเป็นสองสัญญาณที่เหมือนกัน 180° จากเฟส โดยทั่วไปแล้วการแยกนี้ทำได้โดยใช้หม้อแปลงอินพุตคัปปลิ้ง หม้อแปลงคัปปลิ้งอินพุตถูกจัดเรียงจนมีสัญญาณเดียวที่ใช้กับอินพุตของทรานซิสเตอร์หนึ่งตัวและ สัญญาณอื่นถูกนำไปใช้กับอินพุตของทรานซิสเตอร์ตัวอื่น"

ข้อดีของเครื่องขยายสัญญาณแบบผลักดึงคือการบิดเบือนต่ำ ไม่มีความอิ่มตัวของแม่เหล็กในแกนหม้อแปลงคัปปลิ้ง และการยกเลิกระลอกของแหล่งจ่ายไฟซึ่งส่งผลให้ไม่มีเสียงฮัมในขณะที่ข้อเสียคือต้องการทรานซิสเตอร์ที่เหมือนกันสองตัวและความต้องการการมีเพศสัมพันธ์ที่เทอะทะและมีราคาแพง หม้อแปลงไฟฟ้า ระยะขยายกำลังถูกลดหลั่นเป็นขั้นตอนสุดท้ายของวงจรเครื่องขยายเสียง

การตอบสนองความถี่ของวงจร:

ความจุมีบทบาทสำคัญในการกำหนดเวลาและการตอบสนองความถี่ของวงจรอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ได้ดำเนินการตรวจสอบเชิงทดลองอย่างละเอียดและครอบคลุมถึงบทบาทของตัวเก็บประจุต่างๆ ในวงจรแอมพลิฟายเออร์ MOSFET แบบสัญญาณขนาดเล็ก

มีการให้ความสำคัญเป็นพิเศษในการแก้ไขปัญหาพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับความจุในแอมพลิฟายเออร์ MOSFET มากกว่าการปรับเปลี่ยนการออกแบบ MOSFET n-channel ที่เพิ่มประสิทธิภาพที่แตกต่างกันสามตัว (รุ่น 2N7000 ที่อ้างอิงถึงในที่นี้เรียกว่า MOS-1, MOS-2 และ MOS-3) ที่ผลิตโดย Motorola Inc. ได้ถูกใช้สำหรับการทดลอง การศึกษาได้เปิดเผยคุณสมบัติใหม่ที่สำคัญหลายประการของแอมพลิฟายเออร์ แสดงให้เห็นว่าในการออกแบบเครื่องขยายสัญญาณ MOS ที่มีสัญญาณขนาดเล็ก ไม่ควรถือเอาว่าตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้งและบายพาสทำหน้าที่เป็นไฟฟ้าลัดวงจร และไม่มีผลกระทบต่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและขาออก ac อันที่จริง สิ่งเหล่านี้มีส่วนสนับสนุนระดับแรงดันไฟฟ้าที่เห็นทั้งที่พอร์ตอินพุตและเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์ เมื่อเลือกอย่างรอบคอบสำหรับการทำงานคัปปลิ้งและบายพาส แรงดันไฟดังกล่าวจะกำหนดอัตราขยายจริงของแอมพลิฟายเออร์ที่ความถี่ต่างๆ ของสัญญาณอินพุต

ความถี่คัตออฟที่ต่ำกว่านั้นถูกควบคุมโดยค่าของคัปปลิ้งและคาปาซิเตอร์บายพาส ในขณะที่คัทออฟบนเป็นผลมาจากความจุแบบแบ่ง ความจุของ shunt นี้เป็นความจุของ stray capacitance ระหว่างทางแยกของทรานซิสเตอร์

ความจุถูกกำหนดโดยสูตร

C = (พื้นที่ * Ebsilon) / ระยะทาง (4)

ค่าของตัวเก็บประจุจะถูกเลือกเพื่อให้แบนด์วิดท์เอาต์พุตอยู่ระหว่าง 100-10KHz และสัญญาณที่อยู่ด้านบนและด้านล่างของความถี่นี้จะถูกลดทอนลง

ตัวเลข:

รูปที่ 1 วงจร MOSFET ลำเอียงตัวแบ่งศักยภาพ

รูปที่ 2 วงจรเพาเวอร์แอมป์โดยใช้ BJT

รูปที่ 3 การตอบสนองความถี่ของ MOSFET

ขั้นตอนที่ 3: การใช้งานซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์

วงจรได้รับการออกแบบและจำลองด้วยซอฟต์แวร์ PROTEUS ดังแสดงในรูปที่ 4 วงจรเดียวกันนี้ถูกนำมาใช้บน PCB และใช้ส่วนประกอบเดียวกัน

ตัวต้านทานทั้งหมดได้รับการจัดอันดับ 1 วัตต์และตัวเก็บประจุ 50 โวลต์เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหาย

รายการส่วนประกอบที่ใช้อยู่ด้านล่าง:

R1, R5, R9 = 1MΩ

R2, R6, R11 = 68Ω

R3, R7, R10 = 230KΩ

R4, R8, R12 = 1KΩ

R13, R14 = 10KΩ

C1, C2, C3, C4, C5 = 4.7µF

C6, C7 = 1.5µF

Q1, Q2, Q3 = 2N7000

Q4 = TIP122

Q5 = TIP127

วงจรประกอบด้วยสามขั้นตอนเกนที่เชื่อมต่อกันเป็นน้ำตก

ระยะเกนเชื่อมต่อผ่านการเชื่อมต่อ RC RC coupling เป็นวิธีการคัปปลิ้งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในแอมพลิฟายเออร์หลายขั้นตอน ในกรณีนี้ ความต้านทาน R คือตัวต้านทานที่เชื่อมต่อที่เทอร์มินัลต้นทาง และตัวเก็บประจุ C เชื่อมต่อระหว่างแอมพลิฟายเออร์ เรียกอีกอย่างว่าตัวเก็บประจุแบบปิดกั้นเนื่องจากจะบล็อกแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง อินพุตหลังจากผ่านขั้นตอนเหล่านี้ไปถึงระดับพลังงาน สเตจกำลังใช้ทรานซิสเตอร์ BJT (หนึ่ง npn และหนึ่ง pnp) ลำโพงเชื่อมต่อที่เอาต์พุตของสเตจนี้ และเราจะได้รับสัญญาณเสียงที่ขยายแล้ว สัญญาณที่จ่ายให้กับวงจรสำหรับการจำลองคือคลื่นไซน์ 10mV และเอาต์พุตที่ลำโพงเป็นคลื่นไซน์ 2.72 V

ตัวเลข:

รูปที่ 4 วงจร PROTEUS

รูปที่ 5 เกนสเตจ

รูปที่ 6 Power Stage

รูปที่ 7 ผลลัพธ์ของระยะเกน 1 (กำไร = 7)

รูปที่ 8 ผลลัพธ์ของระยะเกน 2 (เกน = 6.92)

รูปที่ 9 ผลลัพธ์ของระยะเกน 3 (เกน = 6.35)

รูปที่ 10 ผลลัพธ์ของระยะเกนสามระยะ (กำไรรวม = 308)

รูปที่ 11 เอาต์พุตที่ลำโพง

ขั้นตอนที่ 4: เค้าโครง PCB

วงจรที่แสดงในรูปที่ 4 ถูกนำมาใช้บน PCB

ด้านบนคือตัวอย่างบางส่วนของการออกแบบซอฟต์แวร์ของ PCB

ตัวเลข:

รูปที่ 12 เค้าโครง PCB

รูปที่ 13 เค้าโครง PCB (pdf)

รูปที่ 14 มุมมอง 3 มิติ (มุมมองด้านบน)

รูปที่ 15 มุมมอง 3 มิติ (มุมมองด้านล่าง)

รูปที่ 16 ฮาร์ดแวร์ (มุมมองด้านล่าง) มุมมองด้านบนมีอยู่แล้วในภาพแรก

ขั้นตอนที่ 5: บทสรุป

การใช้เกนสูงและอิมพีแดนซ์อินพุตสูงของ MOSFET กำลังไฟฟ้าช่องสัญญาณสั้น วงจรอย่างง่ายได้รับการคิดค้นขึ้นเพื่อให้ไดรฟ์เพียงพอสำหรับแอมพลิฟายเออร์ที่มีเอาต์พุตไม่เกิน 0.5 วัตต์

ให้ประสิทธิภาพที่ตรงตามเกณฑ์สำหรับการสร้างเสียงคุณภาพสูง การใช้งานที่สำคัญ ได้แก่ ระบบเสียงประกาศสาธารณะ ระบบเสริมเสียงสำหรับการแสดงละครและคอนเสิร์ต และระบบภายใน เช่น ระบบสเตอริโอหรือโฮมเธียเตอร์

เครื่องขยายเสียงเครื่องดนตรีรวมทั้งเครื่องขยายเสียงกีตาร์และเครื่องขยายเสียงคีย์บอร์ดไฟฟ้ายังใช้เครื่องขยายเสียง

ขั้นตอนที่ 6: ขอขอบคุณเป็นพิเศษ

ฉันขอขอบคุณเพื่อน ๆ เป็นพิเศษที่ช่วยฉันให้บรรลุผลสำเร็จของโครงการนี้

ฉันหวังว่าคุณจะสนุกกับคำแนะนำนี้ สำหรับความช่วยเหลือใด ๆ ฉันชอบถ้าคุณแสดงความคิดเห็น

ทรงพระเจริญ. พบกันใหม่:)

ตาฮีร์ อุลฮัก, EE DEPT, UET

ละฮอร์ ปากีสถาน