AMPLIFICATORE AUDIO MOSFET (basso rumore e alto guadagno): 6 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Ciao ragazzi!

Questo progetto è la progettazione e l'implementazione di un amplificatore audio a bassa potenza utilizzando MOSFET. Il design è semplice come potrebbe essere e i componenti sono facilmente disponibili. Sto scrivendo questo tutorial perché io stesso ho avuto molte difficoltà nel trovare del materiale utile per quanto riguarda il progetto e un metodo facile per l'implementazione.

Spero che ti piaccia leggere l'istruzioni e sono sicuro che ti aiuterà.

Passaggio 1: Introduzione

"Un amplificatore di potenza audio (o amplificatore di potenza) è un amplificatore elettronico che rafforza i segnali audio elettronici a bassa potenza e non udibili come il segnale dal ricevitore radio o dal pickup della chitarra elettrica a un livello sufficientemente forte per pilotare altoparlanti o cuffie."

Ciò include sia gli amplificatori utilizzati nei sistemi audio domestici che gli amplificatori per strumenti musicali come gli amplificatori per chitarra.

L'amplificatore audio è stato inventato nel 1909 da Lee De Forest quando inventò il tubo a vuoto a triodo (o "valvola" in inglese britannico). Il triodo era un dispositivo a tre terminali con una griglia di controllo in grado di modulare il flusso di elettroni dal filamento alla piastra. L'amplificatore a vuoto a triodo è stato utilizzato per realizzare la prima radio AM. I primi amplificatori di potenza audio erano basati su tubi a vuoto. Considerando che, oggigiorno vengono utilizzati amplificatori basati su transistor che sono più leggeri, più affidabili e richiedono meno manutenzione rispetto agli amplificatori a valvole. Le applicazioni per gli amplificatori audio includono sistemi audio domestici, amplificazione sonora per concerti e teatri e sistemi di diffusione sonora. La scheda audio di un personal computer, di ogni impianto stereo e di ogni impianto home theater contiene uno o più amplificatori audio. Altre applicazioni includono amplificatori per strumenti come amplificatori per chitarra, radio mobili professionali e amatoriali e prodotti di consumo portatili come giochi e giocattoli per bambini. L'amplificatore qui presentato utilizza i mosfet per ottenere le specifiche desiderate di un amplificatore audio. Il guadagno e lo stadio di potenza sono impiegati nella progettazione per ottenere il guadagno e la larghezza di banda richiesti.

Passaggio 2: progettazione e alcune importanti fasi dell'amplificatore

Le specifiche dell'amplificatore includono:

Potenza resa 0,5 W.

Larghezza di banda 100Hz-10KHz

GUADAGNO DEL CIRCUITO: Il primo obiettivo è quello di ottenere un notevole guadagno di potenza, sufficiente a fornire un segnale audio privo di rumore in uscita tramite altoparlanti. Per ottenere ciò, nell'amplificatore sono stati impiegati i seguenti stadi:

1. Stadio di guadagno: lo stadio di guadagno utilizza un circuito amplificatore a mosfet polarizzato con divisore di potenziale. Il circuito polarizzato del divisore di potenziale è mostrato in Figura 1.

Amplifica semplicemente il segnale in ingresso e produce guadagno secondo l'equazione (1).

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

Qui, R1 e R2 sono le resistenze di ingresso, rs è la resistenza di source, RD è la resistenza tra la tensione di polarizzazione e il drain e RL è la resistenza di carico.

gm è la transconduttanza che è definita come il rapporto tra la variazione della corrente di drain e la variazione della tensione di gate.

È dato come

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

Per produrre il guadagno desiderato, sono stati collegati in cascata in serie tre circuiti polarizzati con divisore di potenziale e il guadagno totale è il prodotto dei guadagni dei singoli stadi.

Guadagno totale = A1*A2*A3 (3)

Dove, A1, A2 e A3 sono rispettivamente i guadagni del primo, secondo e terzo stadio.

Gli stadi sono isolati l'uno dall'altro con l'aiuto di condensatori interconnessi che sono accoppiati RC.

2. Stadio di potenza: un amplificatore push pull è un amplificatore che ha uno stadio di uscita che può guidare una corrente in entrambe le direzioni attraverso il carico.

Lo stadio di uscita di un tipico amplificatore push pull è costituito da due BJT o MOSFET identici, uno che fornisce corrente attraverso il carico mentre l'altro assorbe la corrente dal carico. Gli amplificatori push pull sono superiori agli amplificatori single ended (utilizzando un singolo transistor in uscita per pilotare il carico) in termini di distorsione e prestazioni. Un amplificatore single ended, per quanto ben progettato, introdurrà sicuramente una certa distorsione a causa della non linearità delle sue caratteristiche di trasferimento dinamico.

Gli amplificatori push pull sono comunemente usati in situazioni in cui sono richieste bassa distorsione, alta efficienza e alta potenza di uscita.

Il funzionamento di base di un amplificatore push pull è il seguente:

"Il segnale da amplificare viene prima suddiviso in due segnali identici sfasati di 180°. Generalmente questa suddivisione viene effettuata utilizzando un trasformatore di accoppiamento in ingresso. Il trasformatore di accoppiamento in ingresso è disposto in modo tale che un segnale venga applicato all'ingresso di un transistor e il altro segnale viene applicato all'ingresso dell'altro transistor."

I vantaggi dell'amplificatore push pull sono la bassa distorsione, l'assenza di saturazione magnetica nel nucleo del trasformatore di accoppiamento e la cancellazione delle increspature dell'alimentatore che si traduce nell'assenza di ronzio mentre gli svantaggi sono la necessità di due transistor identici e il requisito di accoppiamento ingombrante e costoso trasformatori. Uno stadio di guadagno di potenza è stato collegato in cascata come stadio finale del circuito dell'amplificatore audio.

RISPOSTA IN FREQUENZA DEL CIRCUITO:

La capacità gioca un ruolo dominante nel plasmare il tempo e la risposta in frequenza dei moderni circuiti elettronici. È stata condotta un'indagine sperimentale ampia e approfondita sul ruolo di vari condensatori nel circuito dell'amplificatore MOSFET a piccolo segnale.

Particolare enfasi è stata data all'affrontare i problemi di base che coinvolgono le capacità negli amplificatori MOSFET, piuttosto che modificare il design. Per l'esperimento sono stati utilizzati tre diversi MOSFET a canale n di potenziamento (modello 2N7000, di seguito denominati MOS-1, MOS-2 e MOS-3) prodotti da Motorola Inc. Lo studio scopre diverse importanti novità degli amplificatori. Indica che nella progettazione di amplificatori MOS per piccoli segnali, non si dovrebbe mai dare per scontato che i condensatori di accoppiamento e di bypass agiscano come cortocircuiti e non abbiano alcun effetto sulle tensioni di ingresso e uscita CA. Infatti, contribuiscono ai livelli di tensione visti sia all'ingresso che alla porta di uscita dell'amplificatore. Se scelti con giudizio per le operazioni di accoppiamento e bypass, determinano l'effettivo guadagno di tensione dell'amplificatore a varie frequenze del segnale di ingresso.

Le frequenze di taglio inferiori sono regolate dai valori dei condensatori di accoppiamento e di bypass mentre il taglio superiore è il risultato della capacità di shunt. Questa capacità di shunt è la capacità parassita presente tra le giunzioni del transistor.

La capacità è data dalla formula.

C = (Area * Ebsilon) / distanza (4)

Il valore dei condensatori è scelto in modo tale che la larghezza di banda di uscita sia compresa tra 100-10KHz e il segnale al di sopra e al di sotto di questa frequenza venga attenuato.

Cifre:

Figura.1 Circuito MOSFET polarizzato con divisore di potenziale

Figura.2 Circuito dell'amplificatore di potenza utilizzando BJT

Figura.3 Risposta in frequenza del MOSFET

Passaggio 3: implementazione di software e hardware

Il circuito è stato progettato e simulato sul software PROTEUS come mostrato in figura 4. Lo stesso circuito è stato implementato sul PCB e sono stati utilizzati gli stessi componenti.

Tutti i resistori sono classificati per 1 Watt e condensatori per 50 volt per evitare danni.

L'elenco dei componenti utilizzati è riportato di seguito:

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

Il circuito consiste semplicemente di tre stadi di guadagno collegati in cascata.

Gli stadi di guadagno sono collegati tramite accoppiamento RC. L'accoppiamento RC è il metodo di accoppiamento più utilizzato negli amplificatori multistadio. In questo caso la Resistenza R è la resistenza collegata al terminale di source e il condensatore C è collegato tra gli amplificatori. È anche chiamato condensatore di blocco, poiché bloccherà la tensione CC. L'ingresso dopo aver attraversato questi stadi raggiunge lo stadio di potenza. Lo stadio di potenza utilizza transistor BJT (uno npn e uno pnp). L'altoparlante è collegato all'uscita di questo stadio e otteniamo un segnale audio amplificato. Il segnale fornito al circuito per la simulazione è un'onda sinusoidale di 10 mV e l'uscita sull'altoparlante è un'onda sinusoidale di 2,72 V.

FIGURE:

Figura.4 Circuito PROTEUS

Figura.5 Fase di guadagno

Figura.6 Stadio di potenza

Figura.7 Uscita del livello di guadagno 1 (Gain = 7)

Figura.8 Uscita del livello di guadagno 2 (guadagno = 6,92)

Figura.9 Uscita del livello di guadagno 3 (guadagno = 6,35)

Figura.10 Uscita di tre stadi di guadagno (Total Gain = 308)

Figura.11 Uscita sull'altoparlante

Passaggio 4: LAYOUT PCB

Il circuito mostrato in Figura 4 è stato implementato sul PCB.

Sopra sono riportati alcuni frammenti della progettazione software del PCB

FIGURE:

Figura.12 Schema PCB

Figura.13 Schema PCB (pdf)

Figura.14 Vista 3D (VISTA DALL'ALTO)

Figura.15 Vista 3D (VISTA INFERIORE)

Figura 16 Hardware (VISTA DAL BASSO) Vista dall'alto già presente nella prima immagine

Passaggio 5: conclusione

Utilizzando l'elevato guadagno e l'elevata impedenza di ingresso dei MOSFET di potenza a canale corto, è stato ideato un circuito semplice per fornire un azionamento sufficiente per amplificatori fino a 0,5 watt di uscita.

Offre prestazioni che soddisfano i criteri per una riproduzione audio di alta qualità. Applicazioni importanti includono sistemi di diffusione sonora, sistemi di amplificazione sonora per teatri e concerti e sistemi domestici come il sistema stereo o home-theatre.

Anche gli amplificatori per strumenti, inclusi amplificatori per chitarra e amplificatori per tastiere elettriche, utilizzano amplificatori audio.

Passaggio 6: ringraziamenti speciali

Ringrazio in particolare gli amici che mi hanno aiutato a raggiungere i risultati di questo progetto.

Spero che ti sia piaciuto questo istruibile. Per qualsiasi aiuto, mi piacerebbe se commentassi.

Rimani benedetto. Ci vediamo:)

Tahir Ul Haq, EE DEPT, UET

Lahore, Pakistan