AMPLIFICADOR DE AUDIO MOSFET (bajo ruido y alta ganancia): 6 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

¡Hola chicos!

Este proyecto es el diseño e implementación de un amplificador de audio de baja potencia utilizando MOSFET. El diseño es tan simple como podría ser y los componentes están fácilmente disponibles. Estoy escribiendo este instructivo ya que yo mismo experimenté muchas dificultades para encontrar material útil sobre el proyecto y un método fácil para la implementación.

Espero que disfrutes leyendo el instructivo y estoy seguro de que te ayudará.

Paso 1: Introducción

"Un amplificador de potencia de audio (o amplificador de potencia) es un amplificador electrónico que refuerza las señales de audio electrónicas inaudibles de baja potencia, como la señal del receptor de radio o la pastilla de una guitarra eléctrica, a un nivel que es lo suficientemente fuerte como para activar altavoces o auriculares".

Esto incluye tanto los amplificadores utilizados en los sistemas de audio domésticos como los amplificadores de instrumentos musicales como los amplificadores de guitarra.

El amplificador de audio fue inventado en 1909 por Lee De Forest cuando inventó el tubo de vacío triodo (o "válvula" en inglés británico). El triodo era un dispositivo de tres terminales con una rejilla de control que puede modular el flujo de electrones desde el filamento a la placa. El amplificador de vacío de triodo se utilizó para hacer la primera radio AM. Los primeros amplificadores de potencia de audio se basaban en tubos de vacío. Considerando que, hoy en día se utilizan amplificadores basados en transistores que son más livianos, más confiables y requieren menos mantenimiento que los amplificadores de válvulas. Las aplicaciones para amplificadores de audio incluyen sistemas de audio para el hogar, refuerzo de sonido para conciertos y teatro y sistemas de megafonía. La tarjeta de sonido de una computadora personal, cada sistema estéreo y cada sistema de cine en casa contiene uno o varios amplificadores de audio. Otras aplicaciones incluyen amplificadores de instrumentos como amplificadores de guitarra, radios móviles profesionales y aficionados y productos de consumo portátiles como juegos y juguetes para niños. El amplificador que se presenta aquí utiliza mosfets para lograr las especificaciones deseadas de un amplificador de audio. La etapa de ganancia y potencia se emplea en el diseño para lograr la ganancia y el ancho de banda requeridos.

Paso 2: diseño y algunas etapas importantes del amplificador

Las especificaciones del amplificador incluyen:

Potencia de salida 0,5 W.

Ancho de banda 100Hz-10KHz

GANANCIA DEL CIRCUITO: El primer objetivo es lograr una ganancia de potencia considerable que sea suficiente para dar una señal de audio libre de ruido en la salida a través de los altavoces. Para lograr esto se emplearon las siguientes etapas en el amplificador:

1. Etapa de ganancia: La etapa de ganancia utiliza un circuito amplificador mosfet polarizado por divisor de potencial. El circuito polarizado del divisor de potencial se muestra en la figura 1.

Simplemente amplifica la señal de entrada y produce ganancia de acuerdo con la ecuación (1).

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

Aquí, R1 y R2 son las resistencias de entrada, rs es la resistencia de la fuente, RD es la resistencia entre el voltaje de polarización y el drenaje y RL es la resistencia de carga.

gm es la transconductancia que se define como la relación entre el cambio en la corriente de drenaje y el cambio en el voltaje de la puerta.

Se da como

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

Para producir la ganancia deseada, se conectaron en cascada tres circuitos polarizados por divisor de potencial en serie y la ganancia total es el producto de las ganancias de las etapas individuales.

Ganancia total = A1 * A2 * A3 (3)

Donde, A1, A2 y A3 son las ganancias de la primera, segunda y tercera etapa respectivamente.

Las etapas se aíslan entre sí con la ayuda de condensadores interconectados que es un acoplamiento RC.

2. Etapa de potencia: Un amplificador push-pull es un amplificador que tiene una etapa de salida que puede conducir una corriente en cualquier dirección a través de la carga.

La etapa de salida de un amplificador push-pull típico consta de dos BJT o MOSFET idénticos, uno que suministra corriente a través de la carga mientras que el otro absorbe la corriente de la carga. Los amplificadores push-pull son superiores a los amplificadores de un solo extremo (que utilizan un solo transistor en la salida para impulsar la carga) en términos de distorsión y rendimiento. Un amplificador de un solo extremo, por muy bien que esté diseñado, seguramente introducirá algo de distorsión debido a la no linealidad de sus características de transferencia dinámica.

Los amplificadores push-pull se utilizan comúnmente en situaciones donde se requieren baja distorsión, alta eficiencia y alta potencia de salida.

El funcionamiento básico de un amplificador push-pull es el siguiente:

"La señal que se va a amplificar se divide primero en dos señales idénticas desfasadas 180 °. Generalmente, esta división se realiza mediante un transformador de acoplamiento de entrada. El transformador de acoplamiento de entrada está dispuesto de modo que una señal se aplique a la entrada de un transistor y el otra señal se aplica a la entrada del otro transistor ".

Las ventajas del amplificador push-pull son la baja distorsión, la ausencia de saturación magnética en el núcleo del transformador de acoplamiento y la cancelación de las ondulaciones de la fuente de alimentación, lo que resulta en la ausencia de zumbidos, mientras que las desventajas son la necesidad de dos transistores idénticos y el requisito de un acoplamiento voluminoso y costoso. transformadores. Se conectó en cascada una etapa de ganancia de potencia como etapa final del circuito amplificador de audio.

RESPUESTA DE FRECUENCIA DEL CIRCUITO:

La capacitancia juega un papel dominante en la configuración del tiempo y la respuesta de frecuencia de los circuitos electrónicos modernos. Se ha realizado una investigación experimental extensa y profunda sobre el papel de varios condensadores en el circuito amplificador MOSFET de pequeña señal.

Se ha hecho especial hincapié en abordar los problemas básicos relacionados con las capacitancias en los amplificadores MOSFET, en lugar de modificar el diseño. Para el experimento se han utilizado tres MOSFET de canal n de mejora diferentes (modelo 2N7000, denominado en lo sucesivo MOS-1, MOS-2 y MOS-3) fabricados por Motorola Inc. para el experimento. El estudio descubre varias características nuevas importantes de los amplificadores. Indica que en el diseño de amplificadores MOS de pequeña señal, nunca debe darse por sentado que los condensadores de acoplamiento y de derivación actúan como cortocircuitos y no tienen ningún efecto sobre los voltajes de entrada y salida de CA. De hecho, contribuyen a los niveles de voltaje que se ven tanto en el puerto de entrada como en el de salida del amplificador. Cuando se eligen con criterio para las operaciones de acoplamiento y derivación, dictan la ganancia de voltaje real del amplificador a varias frecuencias de la señal de entrada.

Las frecuencias de corte inferiores se rigen por los valores de los condensadores de acoplamiento y de derivación, mientras que el corte superior es el resultado de la capacitancia en derivación. Esta capacitancia de derivación es la capacitancia parásita presente entre las uniones del transistor.

La capacitancia viene dada por la fórmula.

C = (Área * Ebsilon) / distancia (4)

El valor de los condensadores se elige de manera que el ancho de banda de salida esté entre 100-10 KHz y la señal por encima y por debajo de esta frecuencia se atenúe.

Cifras:

Figura.1 Circuito MOSFET polarizado por divisor de potencial

Figura 2 Circuito del amplificador de potencia con BJT

Figura 3 Respuesta de frecuencia de MOSFET

Paso 3: Implementación de software y hardware

El circuito fue diseñado y simulado en el software PROTEUS como se muestra en la figura 4. Se implementó el mismo circuito en la PCB y se utilizaron los mismos componentes.

Todas las resistencias están clasificadas para 1 vatio y los condensadores para 50 voltios para evitar daños.

La lista de componentes utilizados se enumeran a continuación:

R1, R5, R9 = 1 MΩ

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

El circuito consiste simplemente en tres etapas de ganancia conectadas en cascada.

Las etapas de ganancia están conectadas mediante acoplamiento RC. El acoplamiento RC es el método de acoplamiento más utilizado en amplificadores multietapa. En este caso, la resistencia R es la resistencia conectada al terminal de la fuente y el condensador C está conectado entre los amplificadores. También se le llama condensador de bloqueo, ya que bloqueará el voltaje de CC. La entrada después de pasar por estas etapas llega a la etapa de potencia. La etapa de potencia utiliza transistores BJT (un npn y un pnp). El altavoz se conecta a la salida de esta etapa y obtenemos una señal de audio amplificada. La señal dada al circuito para la simulación es una onda sinusoidal de 10 mV y la salida en el altavoz es una onda sinusoidal de 2,72 V.

CIFRAS:

Figura 4 Circuito PROTEUS

Figura 5 Etapa de ganancia

Figura 6 Etapa de potencia

Figura.7 Salida de la etapa de ganancia 1 (Gain = 7)

Figura 8 Salida de la etapa de ganancia 2 (Ganancia = 6,92)

Figura 9 Salida de la etapa de ganancia 3 (Gain = 6.35)

Figura 10 Salida de tres etapas de ganancia (ganancia total = 308)

Figura.11 Salida en el altavoz

Paso 4: DISEÑO DE PCB

El circuito que se muestra en la Figura 4 se implementó en la PCB.

Arriba hay algunos fragmentos del diseño de software de la PCB

CIFRAS:

Figura 12 Diseño de PCB

Figura 13 Diseño de PCB (pdf)

Figura 14 Vista 3D (VISTA SUPERIOR)

Figura.15 Vista 3D (VISTA INFERIOR)

Figura 16 Hardware (VISTA INFERIOR) Vista superior ya presente en la primera imagen

Paso 5: Conclusión

Utilizando la alta ganancia y la alta impedancia de entrada de los MOSFET de potencia de canal corto, se ha diseñado un circuito simple para proporcionar suficiente excitación para amplificadores de hasta 0,5 vatios de salida.

Ofrece un rendimiento que cumple con los criterios de reproducción de audio de alta calidad. Las aplicaciones importantes incluyen sistemas de megafonía, sistemas de refuerzo de sonido para teatros y conciertos y sistemas domésticos como estéreo o sistema de cine en casa.

Los amplificadores de instrumentos, incluidos los amplificadores de guitarra y los amplificadores de teclado eléctrico, también utilizan amplificadores de audio.

Paso 6: agradecimiento especial

Agradezco especialmente a los amigos que me ayudaron a lograr los resultados de este proyecto.

Espero que hayas disfrutado de este instructivo. Para cualquier ayuda, me encantaría que comentaras.

Mantente bendecido. Nos vemos:)

Tahir Ul Haq, DEPARTAMENTO DE EE, UET

Lahore, Pakistán