AMPLIFICADOR DE ÁUDIO MOSFET (baixo ruído e alto ganho): 6 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

Ola pessoal!

Este projeto consiste na concepção e implementação de um amplificador de Áudio de Baixa Potência utilizando MOSFET's. O design é tão simples quanto poderia ser e os componentes estão facilmente disponíveis. Estou escrevendo este instrutivo porque eu mesmo tive muita dificuldade em encontrar algum material útil sobre o projeto e um método fácil de implementação.

Espero que você goste de ler o instructable e tenho certeza de que irá ajudá-lo.

Etapa 1: Introdução

"Um amplificador de potência de áudio (ou amplificador de potência) é um amplificador eletrônico que fortalece sinais de áudio eletrônicos inaudíveis de baixa potência, como o sinal do receptor de rádio ou captador de guitarra elétrica, a um nível forte o suficiente para acionar alto-falantes ou fones de ouvido."

Isso inclui amplificadores usados em sistemas de áudio domésticos e amplificadores de instrumentos musicais, como amplificadores de guitarra.

O amplificador de áudio foi inventado em 1909 por Lee De Forest quando ele inventou o tubo de vácuo triodo (ou "válvula" em inglês britânico). O triodo era um dispositivo de três terminais com uma grade de controle que pode modular o fluxo de elétrons do filamento para a placa. O triodo amplificador a vácuo foi usado para fazer o primeiro rádio AM. Os primeiros amplificadores de potência de áudio eram baseados em válvulas. Considerando que, hoje em dia, são usados amplificadores baseados em transistores que são mais leves, mais confiáveis e requerem menos manutenção do que os amplificadores valvulados. As aplicações para amplificadores de áudio incluem sistemas de áudio domésticos, reforço de som para shows e teatrais e sistemas de endereçamento público. A placa de som em um computador pessoal, cada sistema estéreo e cada sistema de home theater contém um ou vários amplificadores de áudio. Outras aplicações incluem amplificadores de instrumentos, como amplificadores de guitarra, rádio móvel profissional e amador e produtos de consumo portáteis, como jogos e brinquedos infantis. O amplificador apresentado aqui usa mosfets para atingir as especificações desejadas de um amplificador de áudio. O estágio de ganho e potência é empregado no projeto para atingir o ganho e a largura de banda necessários.

Etapa 2: projeto e algumas etapas importantes do amplificador

As especificações do amplificador incluem:

Potência de saída 0,5 W.

Largura de banda 100Hz-10KHz

GANHO DO CIRCUITO: O primeiro objetivo é obter um ganho de potência considerável que seja suficiente para fornecer um sinal de áudio livre de ruído na saída através dos alto-falantes. Para conseguir isso, as seguintes etapas foram empregadas no amplificador:

1. Estágio de ganho: O estágio de ganho usa um circuito amplificador Mosfet polarizado por divisor de potencial. O circuito polarizado do divisor de potencial é mostrado na figura 1.

Ele simplesmente amplifica o sinal de entrada e produz ganho de acordo com a equação (1).

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

Aqui, R1 e R2 são as resistências de entrada, rs é a resistência da fonte, RD é a resistência entre a tensão de polarização e o dreno e RL é a resistência de carga.

gm é a transcondutância, que é definida como a razão entre a mudança na corrente de drenagem e a mudança na tensão da porta.

É dado como

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

Para produzir o ganho desejado, três circuitos polarizados por divisor de potencial foram colocados em cascata em série e o ganho total é o produto dos ganhos de estágios individuais.

Ganho total = A1 * A2 * A3 (3)

Onde, A1, A2 e A3 são os ganhos do primeiro, segundo e terceiro estágio, respectivamente.

Os estágios são isolados uns dos outros com o auxílio de capacitores interconectados que é o acoplamento RC.

2. Estágio de potência: um amplificador push pull é um amplificador que possui um estágio de saída que pode conduzir uma corrente em qualquer direção através da carga.

O estágio de saída de um amplificador push pull típico consiste em dois BJTs ou MOSFETs idênticos, um fornecendo corrente através da carga enquanto o outro drenando a corrente da carga. Os amplificadores push pull são superiores aos amplificadores de terminação única (usando um único transistor na saída para direcionar a carga) em termos de distorção e desempenho. Um amplificador de extremidade única, quão bem pode ser projetado, certamente introduzirá alguma distorção devido à não linearidade de suas características de transferência dinâmica.

Os amplificadores push pull são comumente usados em situações onde são necessárias baixa distorção, alta eficiência e alta potência de saída.

A operação básica de um amplificador push pull é a seguinte:

"O sinal a ser amplificado é primeiro dividido em dois sinais idênticos 180 ° fora de fase. Geralmente, essa divisão é feita usando um transformador de acoplamento de entrada. O transformador de acoplamento de entrada é organizado de modo que um sinal seja aplicado à entrada de um transistor e o outro sinal é aplicado à entrada do outro transistor."

As vantagens do amplificador push pull são a baixa distorção, a ausência de saturação magnética no núcleo do transformador de acoplamento e o cancelamento das ondulações da fonte de alimentação, o que resulta na ausência de zumbido, enquanto as desvantagens são a necessidade de dois transistores idênticos e o requisito de acoplamento volumoso e caro transformadores. Um estágio de ganho de potência foi colocado em cascata como o estágio final do circuito do amplificador de áudio.

RESPOSTA DE FREQÜÊNCIA DO CIRCUITO:

A capacitância desempenha um papel dominante na formação do tempo e da resposta de frequência dos circuitos eletrônicos modernos. Uma extensa e aprofundada investigação experimental foi realizada sobre o papel de vários capacitores no circuito amplificador MOSFET de pequeno sinal.

Foi dada ênfase particular ao tratamento de questões básicas envolvendo capacitâncias em amplificadores MOSFET, ao invés de modificar o design. Três diferentes MOSFETs de canal n de aprimoramento (modelo 2N7000, doravante denominado MOS-1, MOS-2 e MOS-3) fabricados pela Motorola Inc. foram usados para o experimento. O estudo revela vários novos recursos importantes dos amplificadores. Isso indica que, no projeto de amplificadores MOS de pequeno sinal, nunca deve ser dado como certo que os capacitores de acoplamento e bypass atuam como curto-circuito e não têm efeito nas tensões de entrada e saída CA. Na verdade, eles contribuem para os níveis de tensão vistos nas portas de entrada e saída do amplificador. Quando escolhidos criteriosamente para operações de acoplamento e bypass, eles determinam o ganho de voltagem real do amplificador em várias frequências do sinal de entrada.

As frequências de corte inferiores são governadas pelos valores dos capacitores de acoplamento e bypass, enquanto o corte superior é resultado da capacitância shunt. Esta capacitância shunt é a capacitância parasita presente entre as junções do transistor.

A capacitância é dada pela fórmula.

C = (Área * Ebsilon) / distância (4)

O valor dos capacitores é escolhido de forma que a largura de banda de saída esteja entre 100-10KHz e o sinal acima e abaixo dessa frequência seja atenuado.

Figuras:

Figura.1 Circuito MOSFET com polarização do divisor de potencial

Figura.2 Circuito amplificador de potência usando BJT

Figura.3 Resposta de frequência de MOSFET

Etapa 3: Implementação de Software e Hardware

O circuito foi projetado e simulado no software PROTEUS conforme mostrado na figura 4. O mesmo circuito foi implementado na placa de circuito impresso e os mesmos componentes foram usados.

Todos os resistores são classificados para 1 Watt e capacitores para 50 volts para evitar danos.

A lista de componentes usados está listada abaixo:

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

O circuito consiste simplesmente em três estágios de ganho conectados em cascata.

Os estágios de ganho são conectados por meio de acoplamento RC. O acoplamento RC é o método de acoplamento mais amplamente utilizado em amplificadores de vários estágios. Neste caso, a Resistência R é o resistor conectado no terminal da fonte e o capacitor C é conectado entre os amplificadores. Ele também é chamado de capacitor de bloqueio, pois bloqueia a tensão CC. A entrada após passar por esses estágios atinge o estágio de potência. O estágio de potência usa transistores BJT (um npn e um pnp). O alto-falante é conectado na saída deste estágio e obtemos um sinal de áudio amplificado. O sinal dado ao circuito para simulação é 10mV sin wave e a saída no alto-falante é 2,72 V sin wave.

FIGURAS:

Figura.4 circuito PROTEUS

Figura.5 Estágio de ganho

Figura.6 Estágio de energia

Figura.7 Saída do estágio de ganho 1 (Ganho = 7)

Figura.8 Saída do estágio de ganho 2 (Ganho = 6,92)

Figura.9 Saída do estágio de ganho 3 (Ganho = 6,35)

Figura.10 Saída de três estágios de ganho (Ganho Total = 308)

Figura.11 Saída no alto-falante

Etapa 4: LAYOUT do PCB

O circuito mostrado na Figura 4 foi implementado no PCB.

Acima estão alguns trechos do design do software do PCB

FIGURAS:

Figura.12 Layout de PCB

Figura.13 Layout PCB (pdf)

Figura.14 Vista 3D (VISTA SUPERIOR)

Figura.15 Vista 3D (VISTA INFERIOR)

Figura 16 Hardware (VISTA INFERIOR) Vista superior já presente na primeira imagem

Etapa 5: Conclusão

Utilizando o alto ganho e a alta impedância de entrada dos MOSFETs de potência de canal curto, um circuito simples foi desenvolvido para fornecer acionamento suficiente para amplificadores de até 0,5 watts de saída.

Oferece um desempenho que atende aos critérios de reprodução de áudio de alta qualidade. Aplicações importantes incluem sistemas de endereço público, sistemas de reforço de som para teatros e concertos e sistemas domésticos, como estéreo ou sistema de home theater.

Amplificadores de instrumentos, incluindo amplificadores de guitarra e amplificadores de teclado elétrico, também usam amplificadores de áudio.

Etapa 6: Agradecimentos Especiais

Agradeço especialmente aos amigos que me ajudaram a alcançar os resultados deste projeto.

Espero que você tenha gostado deste instrutível. Para qualquer ajuda, eu adoraria se você comentasse.

Fique abençoado. Vê você:)

Tahir Ul Haq, EE DEPT, UET

Lahore, Paquistão