מגבר אודיו MOSFET (רעש נמוך ורווח גבוה): 6 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

היי ח'ברה!

פרויקט זה הוא תכנון ויישום של מגבר אודיו בעל הספק נמוך באמצעות MOSFET. העיצוב פשוט ככל שיכול להיות והרכיבים זמינים בקלות. אני כותב את זה מובן מאחר שאני בעצמי חוויתי קושי רב במציאת חומר שימושי בנוגע לפרויקט ושיטה קלה ליישום.

מקווה שתיהנו לקרוא את ההנחיה ואני בטוח שזה יעזור לכם.

שלב 1: מבוא

"מגבר הספק אודיו (או מגבר הספק) הוא מגבר אלקטרוני המחזק אותות שמע אלקטרוניים בעלי עוצמה נמוכה, שאינם נשמעים, כגון האות ממקלט רדיו או טנדר גיטרה חשמלית לרמה חזקה מספיק להנעת רמקולים או אוזניות".

זה כולל הן מגברים המשמשים במערכות שמע ביתיות והן מגברי כלי נגינה כמו מגברי גיטרה.

מגבר השמע הומצא בשנת 1909 על ידי לי דה פורסט כשהמציא את צינור הוואקום של הטריודה (או "שסתום" באנגלית בריטית). הטריודה הייתה מכשיר בעל שלושה מסופים עם רשת בקרה שיכולה לווסת את זרימת האלקטרונים מהנימה לצלחת. מגבר ואקום הטריודה שימש לייצור רדיו ה- AM הראשון. מגברי כוח שמע מוקדמים התבססו על צינורות ואקום. ואילו כיום משתמשים במגברים מבוססי טרנזיסטור בעלי משקל קל יותר, אמין יותר ודורשים פחות תחזוקה מאשר מגברי צינור. היישומים למגברי אודיו כוללים מערכות שמע ביתיות, חיזוק קול וקולנוע תיאטרלי ומערכות כריזה. כרטיס הקול במחשב אישי, כל מערכת סטריאו וכל מערכת קולנוע ביתית מכיל מגבר אודיו אחד או מספר. יישומים אחרים כוללים מגברי מכשירים כגון מגברי גיטרה, רדיו נייד מקצועי וחובבני ומוצרי צריכה ניידים כגון משחקים וצעצועי ילדים. המגבר המוצג כאן משתמש ב- mosfets כדי להשיג את המפרט הרצוי של מגבר שמע. שלב הרווח והעוצמה מועסק בעיצוב כדי להשיג את הרווח והרוחב הנדרש.

שלב 2: עיצוב וכמה שלבי מגבר חשובים

המפרט של המגבר כולל:

הספק הספק 0.5 W.

רוחב פס 100Hz-10KHz

רווח המעגל: המטרה הראשונה היא להשיג רווח כוח ניכר המספיק לאות שמע ללא רעש ביציאה דרך הרמקולים. לשם כך, השלבים הבאים הועסקו במגבר:

1. שלב רווח: שלב הרווח משתמש במעגל מגבר Mosfet המפריד פוטנציאלי. המעגל המוטה המפריד הפוטנציאלי מוצג באיור 1.

הוא פשוט מגביר את אות הכניסה ומייצר רווח בהתאם למשוואה (1).

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

כאן, R1 ו- R2 הן התנגדות הכניסה, rs היא התנגדות המקור, RD היא ההתנגדות בין מתח הטיה לניקוז ו- RL היא התנגדות העומס.

gm הוא מוליכות טראנס המוגדרת כיחס בין השינוי בזרם הניקוז לשינוי במתח השער.

הוא ניתן כ

gm = דלתא (מזהה) / דלתא (VGS) (2)

כדי לייצר את הרווח הרצוי שלושה מעגלים מוטים מפרידים פוטנציאליים נאספו בסדרות והרווח הכולל הוא תוצר של הרווחים של שלבים בודדים.

רווח כולל = A1*A2*A3 (3)

איפה, A1, A2 ו- A3 הם הרווחים של השלב הראשון, השני והשלישי בהתאמה.

השלבים מבודדים זה מזה בעזרת קבלים מחוברים שהם צימוד RC.

2. שלב עוצמה: מגבר משיכה לדחיפה הוא מגבר בעל שלב פלט שיכול להניע זרם לכל כיוון דרך העומס.

שלב הפלט של מגבר משיכה דחוף טיפוסי מורכב משני BJTs או MOSFET זהים אחד שמזרים זרם דרך העומס ואילו השני שוקע את הזרם מהעומס. מגברי משיכת הדחיפה עדיפים על מגברים בודדים (באמצעות טרנזיסטור בודד ביציאה להנעת העומס) מבחינת עיוות וביצועים. מגבר חד-צדדי, עד כמה הוא עשוי להיות מתוכנן, יביא בוודאי עיוות כלשהו בשל חוסר הליניאריות של מאפייני ההעברה הדינמיים שלו.

מגברי Push -pull משמשים בדרך כלל במצבים בהם נדרשים עיוות נמוך, יעילות גבוהה והספק פלט גבוה.

הפעולה הבסיסית של מגבר משיכה לדחיפה היא כדלקמן:

"האות שיש להגביר מתחלק לראשונה לשני אותות זהים ב -180 ° מחוץ לשלב. בדרך כלל הפיצול הזה מתבצע באמצעות שנאי צימוד קלט. שנאי צימוד הכניסה מסודר כך שאות אחד מופעל על הקלט של טרנזיסטור אחד ושל אות אחר מופעל על הקלט של הטרנזיסטור השני."

היתרונות של מגבר משיכת הדחיפה הם עיוות נמוך, היעדר רוויה מגנטית בליבת שנאי הצימוד וביטול אדוות אספקת החשמל מה שמביא להיעדר זמזום בעוד שהחסרונות הם צורך בשני טרנזיסטורים זהים והדרישה של צימוד מגושם ויקר רוֹבּוֹטרִיקִים. שלב הגברת החשמל נפל כשלב הסופי של מעגל מגבר השמע.

תגובת תדירות של המעגל:

לקיבול יש תפקיד דומיננטי בעיצוב הזמן והתגובה של תדרים של מעגלים אלקטרוניים מודרניים. חקירה ניסיונית מקיפה ומעמיקה בוצעה בתפקידם של קבלים שונים במעגל מגבר MOSFET בעל אות קטן.

דגש מיוחד ניתן לטיפול בבעיות בסיסיות הנוגעות לקיבול במגברי MOSFET, במקום לשנות את העיצוב. שלושה ניסויי MOSFET מסוג n-channel משופרים (דגם 2N7000, להלן MOS-1, MOS-2 ו- MOS-3) שיוצרו על ידי מוטורולה בע מ, שימשו לניסוי. המחקר חושף מספר תכונות חדשות חשובות של המגברים. זה מצביע על כך שבעיצוב מגברי MOS בעלי אות קטן, לעולם אין לקחת כמובן מאליו שקבלים של צימוד ומעקף משמשים כקצר חשמלי ואין להם השפעה על מתח הכניסה והיציאה של AC. למעשה, הם תורמים לרמות המתח הנראות הן בכניסה והן ביציאת המוצא של המגבר. כאשר הם נבחרים בשיקול דעת לצורך פעולות צימוד ומעקף הם מכתיבים את עליית המתח בפועל של המגבר בתדרים שונים של אות קלט.

תדרי הניתוק התחתונים נשלטים על ידי הערכים של קבלים צימוד ומעקף ואילו החתך העליון הוא תוצאה של קיבול shunt. קיבול shunt זה הקיבול התועה הקיים בין צומת הטרנזיסטור.

הקיבול ניתן על ידי הנוסחה.

C = (שטח * אבסילון) / מרחק (4)

ערך הקבלים נבחר כך שרוחב הפס של הפלט הוא בין 100-10KHz והאות מעל ותחת התדר הזה נחלש.

דמויות:

איור 1 מעגל MOSFET מוטה מפריד פוטנציאלי

איור 2 מעגל מגבר כוח באמצעות BJT

איור 3 תגובת תדר של MOSFET

שלב 3: יישום תוכנה וחומרה

המעגל תוכנן והדומה בתוכנת PROTEUS כפי שמוצג באיור 4. אותו מעגל יושם על הלוח והשתמשו באותם רכיבים.

כל הנגדים מדורגים על 1 וואט וקבלים של 50 וולט כדי למנוע נזק.

רשימת הרכיבים המשמשים מפורטים להלן:

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 = טיפ 127

המעגל פשוט מורכב משלושה שלבי רווח המחוברים במפל.

שלבי הרווח מחוברים באמצעות צימוד RC. צימוד RC הוא שיטת הצימוד הנפוצה ביותר במגברים רב שלבים. במקרה זה ההתנגדות R היא הנגד המחובר במסוף המקור והקבל C מחובר בין המגברים. הוא נקרא גם קבל חוסם, מכיוון שהוא יחסום מתח DC. הקלט לאחר מעבר בשלבים אלה מגיע לשלב הכוח. שלב ההספק משתמש בטרנזיסטורים BJT (npn אחד ו- pnp אחד). הרמקול מחובר ביציאה של שלב זה ואנו מקבלים אות שמע מוגבר. האות שניתן למעגל לסימולציה הוא גל חטא של 10mV והתפוקה ברמקול היא גל חטא של 2.72 V.

דמויות:

איור.4 מעגל פרוטוס

איור.5 רווח שלב

איור.6 שלב הכוח

איור.7 תפוקת רווח שלב 1 (רווח = 7)

איור.8 תפוקת שלב הרווח 2 (רווח = 6.92)

איור.9 תפוקת רווח שלב 3 (רווח = 6.35)

איור 10 פלט של שלושה שלבי רווח (רווח כולל = 308)

איור 11 פלט ברמקול

שלב 4: פריסת PCB

המעגל המוצג באיור 4 יושם על ה- PCB.

למעלה כמה קטעים מעיצוב התוכנה של ה- PCB

דמויות:

איור 12 פריסת PCB

איור.13 פריסת PCB (pdf)

איור.14 תצוגה תלת -ממדית (מבט למעלה)

איור.15 תצוגה תלת -ממדית (תצוגה תחתונה)

איור 16 חומרה (תצוגה תחתונה) התצוגה העליונה כבר קיימת בתמונה הראשונה

שלב 5: מסקנה

תוך ניצול הרווח הגבוה והעכבת הכניסה הגבוהה של MOSFETs כוח ערוץ קצר, נוצר מעגל פשוט המספק כונן מספיק למגברים עד פלט של 0.5 וואט.

הוא מציע ביצועים העונים על הקריטריונים לשחזור שמע באיכות גבוהה. יישומים חשובים כוללים מערכות כריזה, מערכות תיאטרון וחיזוק צלילים וקונצרטים ומערכות ביתיות כגון מערכת סטריאו או מערכת קולנוע ביתית.

מגברי מכשירים כולל מגברי גיטרה ומגברי מקלדת חשמלית משתמשים גם במגברי שמע.

שלב 6: תודה מיוחדת

אני מודה במיוחד לחברים שעזרו לי בהשגת תוצאות הפרויקט.

אני מקווה שנהניתם מההדרכה. לכל עזרה, אשמח אם תגיבו.

הישאר מבורך. נתראה:)

טאהיר אול האק, EE DEPT, UET

לאהור, פקיסטן