Mục lục:
2025 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2025-01-13 06:58
Xin chào các bạn!
Dự án này là thiết kế và triển khai bộ khuếch đại Âm thanh công suất thấp sử dụng MOSFET. Thiết kế càng đơn giản càng tốt và các thành phần có sẵn dễ dàng. Tôi viết bài hướng dẫn này vì bản thân tôi đã trải qua rất nhiều khó khăn trong việc tìm kiếm một số tài liệu hữu ích về dự án và một phương pháp dễ dàng để thực hiện.
Hy vọng bạn thích đọc hướng dẫn và tôi tích cực nó sẽ giúp bạn.
Bước 1: Giới thiệu
"Bộ khuếch đại công suất âm thanh (hoặc bộ khuếch đại công suất) là bộ khuếch đại điện tử tăng cường các tín hiệu âm thanh điện tử công suất thấp, không nghe được như tín hiệu từ bộ thu radio hoặc đầu thu guitar điện đến mức đủ mạnh để điều khiển loa hoặc tai nghe."
Điều này bao gồm cả bộ khuếch đại được sử dụng trong hệ thống âm thanh gia đình và bộ khuếch đại nhạc cụ như bộ khuếch đại guitar.
Bộ khuếch đại âm thanh được Lee De Forest phát minh vào năm 1909 khi ông phát minh ra ống chân không triode (hay "van" trong tiếng Anh Anh). Triode là một thiết bị ba đầu cuối với lưới điều khiển có thể điều chỉnh dòng electron từ dây tóc đến tấm. Bộ khuếch đại chân không triode được sử dụng để tạo ra radio AM đầu tiên. Các bộ khuếch đại công suất âm thanh ban đầu dựa trên các ống chân không. Trong khi đó, các bộ khuếch đại dựa trên bóng bán dẫn hiện nay được sử dụng có trọng lượng nhẹ hơn, đáng tin cậy hơn và ít yêu cầu bảo trì hơn so với bộ khuếch đại ống. Các ứng dụng cho bộ khuếch đại âm thanh bao gồm hệ thống âm thanh gia đình, tăng cường âm thanh hòa nhạc và sân khấu và hệ thống truyền thanh công cộng. Card âm thanh trong máy tính cá nhân, mọi hệ thống âm thanh nổi và mọi hệ thống rạp hát gia đình đều chứa một hoặc một số bộ khuếch đại âm thanh. Các ứng dụng khác bao gồm bộ khuếch đại nhạc cụ như bộ khuếch đại guitar, đài phát thanh di động chuyên nghiệp và nghiệp dư và các sản phẩm tiêu dùng di động như trò chơi và đồ chơi trẻ em. Bộ khuếch đại được trình bày ở đây sử dụng các mosfet để đạt được các thông số kỹ thuật mong muốn của một bộ khuếch đại âm thanh. Giai đoạn khuếch đại và công suất được sử dụng trong thiết kế để đạt được độ lợi và băng thông cần thiết.
Bước 2: Thiết kế và một số giai đoạn quan trọng của bộ khuếch đại
Các thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại bao gồm:
Công suất đầu ra 0,5 W.
Băng thông 100Hz-10KHz
CÔNG SUẤT CỦA MẠCH: Mục tiêu đầu tiên là đạt được mức tăng công suất đáng kể đủ để cung cấp tín hiệu âm thanh không bị nhiễu ở đầu ra qua loa. Để đạt được điều này, các giai đoạn sau đã được sử dụng trong bộ khuếch đại:
1. Tầng khuếch đại: Tầng khuếch đại sử dụng mạch khuếch đại mosfet phân cực tiềm năng. Mạch phân cực phân áp điện thế được hiển thị trong hình 1.
Nó chỉ đơn giản là khuếch đại tín hiệu đầu vào và tạo ra độ lợi theo phương trình (1).
Độ lợi = [(R1 || R2) / (rs + R1 || R2)] * (-gm) * (rd || RD || RL) (1)
Ở đây, R1 và R2 là điện trở đầu vào, rs là điện trở nguồn, RD là điện trở giữa điện áp phân cực và cống và RL là điện trở tải.
gm là độ dẫn điện được định nghĩa là tỷ số giữa sự thay đổi của dòng điện cống và sự thay đổi của điện áp cổng.
Nó được đưa ra dưới dạng
gm = Delta (ID) / delta (VGS) (2)
Để tạo ra độ lợi mong muốn, ba mạch phân cực phân chia tiềm năng được xếp nối tiếp và tổng độ lợi là sản phẩm của độ lợi của các giai đoạn riêng lẻ.
Tổng thu nhập = A1 * A2 * A3 (3)
Trong đó, A1, A2 và A3 lần lượt là mức tăng của giai đoạn đầu tiên, thứ hai và thứ ba.
Các giai đoạn được cách ly với nhau với sự trợ giúp của các tụ điện được kết nối với nhau đó là khớp nối RC.
2. Giai đoạn công suất: Bộ khuếch đại kéo đẩy là một bộ khuếch đại có tầng đầu ra có thể điều khiển dòng điện theo một trong hai hướng qua tải.
Giai đoạn đầu ra của một bộ khuếch đại kéo đẩy điển hình bao gồm hai BJT hoặc MOSFET giống hệt nhau, một nguồn cung cấp dòng điện qua tải trong khi cái kia làm chìm dòng điện khỏi tải. Bộ khuếch đại đẩy kéo vượt trội hơn so với bộ khuếch đại kết thúc đơn (sử dụng một bóng bán dẫn duy nhất ở đầu ra để điều khiển tải) về độ méo và hiệu suất. Một bộ khuếch đại kết thúc duy nhất, nó có thể được thiết kế tốt như thế nào chắc chắn sẽ gây ra một số biến dạng do tính phi tuyến tính của các đặc tính truyền động của nó.
Bộ khuếch đại kéo đẩy thường được sử dụng trong các trường hợp yêu cầu độ méo tiếng thấp, hiệu suất cao và công suất đầu ra cao.
Hoạt động cơ bản của bộ khuếch đại kéo đẩy như sau:
"Tín hiệu được khuếch đại trước tiên được tách thành hai tín hiệu giống hệt nhau lệch pha 180 °. Nói chung, việc tách này được thực hiện bằng cách sử dụng một biến áp ghép đầu vào. Biến áp ghép đầu vào được bố trí sao cho một tín hiệu được áp dụng cho đầu vào của một bóng bán dẫn và tín hiệu khác được áp dụng cho đầu vào của bóng bán dẫn khác."
Ưu điểm của bộ khuếch đại kéo đẩy là độ méo thấp, không có bão hòa từ trong lõi biến áp ghép nối và loại bỏ gợn sóng cung cấp điện dẫn đến không có tiếng ồn trong khi nhược điểm là cần hai bóng bán dẫn giống nhau và yêu cầu ghép nối cồng kềnh và tốn kém máy biến áp. Giai đoạn tăng công suất được xếp tầng như là giai đoạn cuối cùng của mạch khuếch đại âm thanh.
PHẢN ỨNG TẦN SỐ CỦA MẠCH:
Điện dung đóng một vai trò quan trọng trong việc định hình thời gian và tần số đáp ứng của các mạch điện tử hiện đại. Một cuộc điều tra thực nghiệm sâu và rộng đã được thực hiện về vai trò của các tụ điện khác nhau trong mạch khuếch đại MOSFET tín hiệu nhỏ.
Đặc biệt nhấn mạnh vào việc giải quyết các vấn đề cơ bản liên quan đến điện dung trong bộ khuếch đại MOSFET, thay vì sửa đổi thiết kế. Ba MOSFET kênh n nâng cao khác nhau (kiểu 2N7000, sau đây được gọi là MOS-1, MOS-2 và MOS-3) do Motorola Inc. sản xuất đã được sử dụng cho thử nghiệm. Nghiên cứu phát hiện ra một số tính năng mới quan trọng của bộ khuếch đại. Nó chỉ ra rằng trong thiết kế của các bộ khuếch đại MOS tín hiệu nhỏ, không bao giờ được cho rằng các tụ điện ghép nối và rẽ nhánh hoạt động như ngắn mạch và không ảnh hưởng đến điện áp đầu vào và đầu ra xoay chiều. Trên thực tế, chúng góp phần vào mức điện áp được thấy ở cả cổng đầu vào và cổng đầu ra của bộ khuếch đại. Khi được lựa chọn một cách thận trọng cho các hoạt động ghép nối và bỏ qua, chúng quyết định mức tăng điện áp thực tế của bộ khuếch đại ở các tần số khác nhau của tín hiệu đầu vào.
Các tần số cắt phía dưới được điều chỉnh bởi các giá trị của tụ điện ghép nối và rẽ nhánh trong khi tần số cắt phía trên là kết quả của điện dung shunt. Điện dung shunt này là điện dung lạc giữa các điểm nối của bóng bán dẫn.
Điện dung được cho bởi công thức.
C = (Diện tích * Ebsilon) / khoảng cách (4)
Giá trị của tụ điện được chọn sao cho băng thông đầu ra nằm trong khoảng 100-10KHz và tín hiệu trên và dưới tần số này bị suy giảm.
Số liệu:
Hình.1 Mạch MOSFET phân cực tiềm năng
Hình 2 Mạch khuếch đại công suất sử dụng BJT
Hình 3 Đáp ứng tần số của MOSFET
Bước 3: Triển khai phần mềm và phần cứng
Mạch được thiết kế và mô phỏng trên phần mềm PROTEUS như trong hình 4. Mạch tương tự được thực hiện trên PCB và sử dụng các thành phần tương tự.
Tất cả các điện trở được đánh giá cho 1 Watt và tụ điện cho 50 volt để tránh hư hỏng.
Danh sách các thành phần được sử dụng được liệt kê dưới đây:
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
Mạch chỉ đơn giản bao gồm ba giai đoạn khuếch đại được kết nối trong thác.
Các giai đoạn tăng được kết nối thông qua khớp nối RC. Ghép nối RC là phương pháp ghép nối được sử dụng rộng rãi nhất trong các bộ khuếch đại đa tầng. Trong trường hợp này, Điện trở R là điện trở được nối ở cực nguồn và tụ điện C được nối giữa các bộ khuếch đại. Nó còn được gọi là tụ điện chặn, vì nó sẽ chặn điện áp một chiều. Đầu vào sau khi qua các giai đoạn này mới đến giai đoạn nguồn. Tầng nguồn sử dụng bóng bán dẫn BJT (một npn và một pnp). Loa được kết nối ở đầu ra của giai đoạn này và chúng tôi nhận được tín hiệu âm thanh được khuếch đại. Tín hiệu đưa đến mạch để mô phỏng là sóng sin 10mV và tín hiệu ra ở loa là sóng sin 2,72V.
SỐ LIỆU:
Hình 4 Mạch PROTEUS
Hình 5 Giai đoạn tăng
Hình 6 Giai đoạn năng lượng
Hình 7 Đầu ra của giai đoạn khuếch đại 1 (Độ lợi = 7)
Hình 8 Đầu ra của giai đoạn khuếch đại 2 (Độ lợi = 6,92)
Hình 9 Đầu ra của giai đoạn khuếch đại 3 (Độ lợi = 6,35)
Hình 10 Đầu ra của ba giai đoạn khuếch đại (Tổng độ lợi = 308)
Hình.11 Đầu ra tại loa
Bước 4: BỐ TRÍ PCB
Mạch hiển thị trong Hình 4 được thực hiện trên PCB.
Trên đây là một số đoạn trích của thiết kế phần mềm của PCB
SỐ LIỆU:
Hình 12 Bố trí PCB
Hình 13 Bố cục PCB (pdf)
Hình 14 Chế độ xem 3D (CHẾ ĐỘ XEM HÀNG ĐẦU)
Hình 15 Chế độ xem 3D (CHẾ ĐỘ XEM ĐÁY)
Hình 16 Phần cứng (CHẾ ĐỘ XEM ĐÁY) Chế độ xem trên cùng đã xuất hiện trong hình ảnh đầu tiên
Bước 5: Kết luận
Sử dụng mức khuếch đại cao và trở kháng đầu vào cao của MOSFET công suất kênh ngắn, một mạch đơn giản đã được phát minh để cung cấp đủ ổ đĩa cho các bộ khuếch đại có đầu ra tối đa 0,5 watt.
Nó cung cấp hiệu suất đáp ứng các tiêu chí tái tạo âm thanh chất lượng cao. Các ứng dụng quan trọng bao gồm hệ thống truyền thanh công cộng, hệ thống tăng cường âm thanh sân khấu và hòa nhạc và các hệ thống trong nước như hệ thống âm thanh nổi hoặc rạp hát tại nhà.
Bộ khuếch đại nhạc cụ bao gồm bộ khuếch đại guitar và bộ khuếch đại bàn phím điện cũng sử dụng bộ khuếch đại âm thanh.
Bước 6: Cảm ơn đặc biệt
Tôi đặc biệt cảm ơn những người bạn đã giúp tôi đạt được kết quả của dự án này.
Tôi hy vọng bạn thích hướng dẫn này. Đối với bất kỳ sự giúp đỡ nào, tôi rất thích nếu bạn nhận xét.
Ở lại may mắn. Thấy bạn:)
Tahir Ul Haq, EE DEPT, UET
Lahore, Pakistan