Небольшой обзор способов построения усилителей мощности звуковой частоты класса D с использованием микросхем на различную мощность и различные технические характеристики.
На странице используются материалы журналов:
      "Радиохобби" №5 за 2000г.
      "Радиохобби" №1 за 2004г.
      "Радиохобби" №3 за 199г. 

УМЗЧ усилители класса D усилители мощности ШИМ цифровые усилители мощности звуковой частоты класса D интегральные усилители мощности класса D УМЗЧ УМНЧ УНЧ класса D

      ИМС 10-ваттного УМЗЧ SGS-Thomson TDA7480 (цена около $1,4) выполнена в 20-выводном корпусе DIP20 (шаг 2,54 мм), также не требует внешнего радиатора и очень удобна для применения в телевизорах. Типовая схема включения приведена на рис.6, а рисунок печатной платы - на рис.7. Частота встроенного опорного генератора задается в пределах от 100 до 200 кГц резистором R4 (диапазон изменения его сопротивления - от 7 кОм для максимальной частоты до 14 кОм для минимальной).

      При максимальной выходной мощности 10 Вт на корпусе микросхемы рассеивается 1,8 Вт, что при тепловом сопротивлении 80 °С/Вт может привести к перегреву. Для предотвращения этого при постоянной работе в режиме с максимальной мощностью ИМС рекомендуется монтировать с тепловым контактом нижней поверхности корпуса и фольги печатной платы. При этом тепловое сопротивление снижается в зависимости от площади фольгированного участка в соответствии с графиком рис.8 и тепловой режим значительно облегчается (достаточна площать фольги 12 см2). Типовый коэффициент гармоник 0,1%, КПД 85%, диапазон напряжений питания ±10. ..±13 В, максимальный выходной ток 5 А, ток потребления в паузе 30 мА (в режиме Stand-By не более 3 мА; для перевода в Stand-By потенциал вывода 12 должен быть не выше 0,7 В). Входное сопротивление 30 кОм, коэффициент передачи 30 дБ, приведенное ко входу напряжение собственных шумов <12 мкВ (<8 мкВ взвеш. по кривой «МЭК-А»). Встроенный стабилизатор подавляет пульсации питающих напряжений не менее чем на 60 дБ. Встроенная термозащита срабатывает при температуре корпуса 150 °С.
      Технологические модификации описанной ИМС в корпусе Multiwatt15 (тепловое сопротивление кристалл-корпус -2,5 °С/Вт, двухрядное расположение выводов с шагом 1.27 мм) выпускаются под названием TDA7481 (выход-
      ная мощность 18 Вт) и TDA7482 (вых. мощность 25 Вт, цена около $2,5). Рекомендуемая схема включения приведена на рис.9, а рисунок печатной платы - на рис. 10.
      Напряжение питания TDA7481/82 повышены до ±25 В, а КПД 87%, ток потребления в паузе 30 мА, остальные характеристики повторяют TDA7480. Применение этих ИМС оправдано в тяжелых климатических условиях (при монтаже ИМС на радиаторах).

УМЗЧ усилители класса D усилители мощности ШИМ цифровые усилители мощности звуковой частоты класса D интегральные усилители мощности класса D УМЗЧ УМНЧ УНЧ класса D

      Двухчиповое решение УМЗЧ класса D на паре LM4651N (драйвер) + LM4652TF (4 мощных МОП-ключа) разработано в 2000 году фирмой National Semiconductor специально для мощных высококачественных сабвуферов (Dolby Digital, THX и др. систем «домашнего театра»). Это конкурент описанному в Минисправочнике «РХ» №3/99 (с.34) и Суперсабвуфере «РХ» №2/00 (с.51) решению на TDA8920.

      Рекомендуемая схема включения какУМЗЧ приведена на рис. 11, а схема дополнительного активного ФНЧ (при использовании в сабвуфере) с коэффициентом усиления 20 дБ и частотой среза ок.100 Гц - на рис. 12. В последнем R1=R2=R, C2=C1/2, а частота среза 1^= A/2/(2reRC1) выбирается в диапазоне 60-180 Гц под конкретную акустику.

      Коэффициент передачи устройства определяется выражением
      Ки = [(Rf /R1 )х (VCC /1.75)]/{1 + [(Rf /R1 )х (Rf /R2 ) х (Rfl2 / (RfM +Rfl2 ))x (VCC /7)]}, с указанными на схеме номиналами он составляет 7,5 (17,5 дБ), что при номинальном выходном напряжении 22,4 В (мощность 125 Вт на нагрузке 4 Ома) задает номинальное входное напряжение 3 В (без учета дополнительного усиления на 20 дБ фильтром рис.12).
      Система термозащиты состоит из датчика температуры, встроенного в подложку LM4652 и выдающего напряжение высокого логического уровня на выводе 4 при достижении предельной температуры 150 °С. Этот сигнал поступает на вывод 12 LM4651, прекращая генерирование управляющего ШИМ-напряжения до прекращения термоперегрузки.
      Максимальная выходная мощность на нагрузке 4 Ома достигает 170 Вт, на нагрузке 8 Ом - 90 Вт, КПД 85%, ток потребления в паузе 125 мА, в режиме STDBY17 (переключатель S1) мА. Рассеиваемая на обеих микросхемах мощность в самом неблагоприятном режиме не превышает 22 Вт, что позволяет обойтись небольшим радиатором. Типовый коэффициент гармоник 0,3 %.Напряжение питания ±11...±22 В.

      На рис. 15 показаны конструктивные размеры (в дюймах и в скобках - в миллиметрах) обеих ИМС - LM4651N (сверху) + LM4652TF (снизу).
      На рисунках приведены типовые зависимости максимальной выходной мощности от напряжения питания (рис. 16), коэффициента гармоник от выходной мощности (рис. 17, слева для нагрузки 4 Ома, справа - 8 Ом), рассеиваемой мощности и КПД от выходной мощности (рис. 18), максимальной мощности и КПД от частоты опорного генератора (рис.19), тока котребления в паузе от частоты опорного генератора (рис.20).

Ниже приведенный материал был взят с сайта "МАСТЕР КИТ"

      Предлагаемый набор позволит радиолюбителю собрать надежный мощный усилитель НЧ работающий в классе D (с ШИМ модуляцией несущей воспроизводимой фонограммой). Усилитель может работать как в стереофоническом режиме, обеспечивая выходную мощность 80 Вт в каждом из двух каналов, так и в мостовом – при этом на нагрузке максимальная мощность составит 140 Вт. Усилитель хорошо зарекомендовал себя как УНЧ для сабвуфера.

Технические характеристики

Напряжение питания (двуполярное)	+/-15...30 В
Типовое	+/- 25 В
Пиковое значение выходного тока	8 А
Ток в режиме покоя	50 мА
Ток в режиме ST-BY	0,5 мА
Максимальная электрическая выходная мощность (стерео) при Кг=0.5%, Uп= +/-27 В, Rн=4 Ом	65 Вт
Максимальная электрическая выходная мощность (стерео) при Кг=10%, Uп= +/-27 В, Rн=4 Ом	80 Вт
Максимальная электрическая выходная мощность (мост) при Кг=0.5%, Uп=+/- 25 В, Rн=8 Ом	120 Вт
Максимальная электрическая выходная мощность (мост) при Кг=10%, Uп=+/- 25 В, Rн=8 Ом	140 Вт
Коэффициент усиления (стерео), Au	30 дБ
Коэффициент усиления (мост), Au	36 дБ
КПД	94 %
Диапазон воспроизводимых частот	20-20000 Гц
Размеры печатной платы	62x73 мм

Описание работы модуля

      Принцип работы усилителя класса D (DIGITAL) состоит не в прямом усилении музыкального сигнала, а в усилении импульсного сигнала прямоугольной формы (на несущей частоте), ширина импульсов которого промодулирована воспроизводимой фонограммой (широтно-импульсная модуляция - ШИМ). При усилении импульсного сигнала оконечный мощный каскад можно построить с использованием полевых транзисторов, работающих в ключевом режиме. Это позволяет поднять КПД всего УМ до 95% и максимально снизить тепловые потери. Далее, усиленный промодулированный сигнал поступает на демодулирующий LC фильтр, где несущая отфильтровывается, а звуковой сигнал подается на головку громкоговорителя.

      Двухканальный усилитель НЧ состоит из трех конструктивно объединенных блоков – микросхемы контроллера (DA1), микросхемы мощного оконечного каскада (DA2) и пары демодулирующих LC фильтров второго порядка (L5, C36 и L6, C37). Микросхема контроллера (DA1) предназначена для формирования ШИМ сигнала на рабочей частоте Fраб = 360 кГц с использованием входного музыкального сигнала. Микросхема DA1 содержит два идентичных канала формирования сигнала, генератор рабочей частоты и цепи управления мощным оконечным каскадом на DA2.

      Двуполярное напряжение питания подается на контакты Х1 (+), Х2 (общий) и Х3 (-).

      В стереофоническом режиме источник сигнала подключается к Х1 (-IN1), Х2 (+IN1) и Х3 (-IN2), Х4 (+IN2). Нагрузка подключается к Х5 (-OUT2), Х6 (+OUT2) и Х7 (-OUT1), Х8 (+OUT1).

      В мостовом моно режиме источник сигнала подключается к Х1 (-IN), Х2 (+IN) или Х3 (-IN), Х4 (+IN). Нагрузка подключается к Х8 (+OUT) и Х5 (-OUT).

      Для выбора стереофонического режима работы перемычки J1 и J4 необходимо замкнуть, а перемычки J2 и J3 должны находится в разомкнутом состоянии.

      Для выбора мостового режима работы перемычки J1 и J4 необходимо разомкнуть, а перемычки J2 и J3 необходимо замкнуть между собой так, чтобы замкнулись ножки микросхемы DA1 4-8 и 5-9. Это делается при помощи самостоятельно изготовленного шлейфа.

      Переключатель SW1 предназначен для управления режимом работы усилителя (ON/MUTE/OFF). При установке перемычки в положение “1” усилитель переходит в состояние ON (Вкл), в положение “2” – в состояние MUTE (Пауза) и при “3” – в состояние OFF (Выкл).

Конструкция

      Конструктивно усилитель выполнен на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита с размерами 62x73 мм. Конструкция предусматривает установку платы в корпус, для этого имеются монтажные отверстия по краям платы под винты диаметром 2,5 мм.

      Микросхему оконечного усилителя (DA2) при необходимости можно установить на теплоотвод (в комплект набора не входит). Поскольку КПД УМ составляет 94 % - тепловые потери минимальны даже на максимальной мощности. Площадь и конструкция радиатора подбирается пользователем самостоятельно. При монтаже рекомендуется использовать теплопроводную пасту типа КТП-8, для повышения надежности работы ИМС. Между корпусом микросхемы и радиатором необходимо установить диэлектрическую теплоизоляционную прокладку.

УМЗЧ усилители класса D усилители мощности ШИМ цифровые усилители мощности звуковой частоты класса D интегральные усилители мощности класса D УМЗЧ УМНЧ УНЧ класса D

Григорий Ганичев

г. Москва

Мощный УНЧ класса “D” 140 Вт или 2х80 Вт

      Эта статья посвящена мощному усилителю НЧ работающему в классе D (с ШИМ модуляцией несущей воспроизводимой фонограммой). Усилитель может работать как в стереофоническом режиме обеспечивая выходную мощность 80 Вт (4 Ом) в каждом из двух каналов, так и в мостовом – при этом на нагрузке максимальная мощность составит 140 Вт (8 Ом). Усилитель хорошо зарекомендовал себя как УНЧ для сабвуфера. УМ обладает высокими эксплуатационными характеристиками, высокой надежностью, простотой в изготовлении/подключении и оптимальным соотношением цена/качество, что на сегодняшний день является немаловажным фактором. Собрать устройство можно из набора МАСТЕР КИТ NM2045 .

      Принцип работы усилителя класса “D” (DIGITAL) состоит не в прямом усилении музыкального сигнала, а в усилении импульсного сигнала прямоугольной формы (на несущей частоте) ширина импульсов которого промодулирована воспроизводимой фонограммой (широтно-импульсная модуляция - ШИМ). При усилении импульсного сигнала оконечный мощный каскад можно построить с использованием ПТ работающих в ключевом режиме, что позволяет поднять КПД всего УМ до 95% и максимально снизить тепловые потери. Далее, усиленный промодулированный сигнал поступает на демодулирующий LC фильтр, где несущая отфильтровывается, а звуковой сигнал подается на головку громкоговорителя. Блок-схема такого устройства приведена на рис.1.

Рисунок 1. Блок-схема усилителя класса “D”

      Фирма Philips выпустила набор микросхем, позволяющих реализовать данный схемотехнический принцип и построить высококачественную усилительную систему класса “D”. Этот набор состоит из двух ИМС – микросхемы драйвера (TDA8929T) и микросхемы мощного ключевого оконечного каскада (TDA8927J). Микросхема драйвера выпускается только в корпусе с планарными выводами и содержит два идентичных канала формирования ШИМ сигнала, генератор несущей частоты и цепи управления мощным оконечным каскадом. Микросхема оконечного каскада выпускается в выводном корпусе типа DBS17P и содержит два идентичных ключевых УМ. Эту ИМС при умеренных нагрузках совсем не обязательно устанавливать на радиатор – поскольку КПД всей системы составляет около 95% и выделяемая тепловая мощность крайне мала. Используя эти микросхемы можно построить двухканальный УМ развивающий мощность 80Вт в каждом канале на нагрузке 4 Ом, или мостовой одноканальный усилитель. При этом мощность на нагрузке возрастет в 4 раза.

      Перед специалистами МАСТЕР КИТ была поставлена, и успешно решена задача по подготовке технической документации и выпуску такого УНЧ для использования в Hi-Fi звуковой технике.

      Радиолюбители сами могут развести печатную плату, однако нужно учитывать, что это очень ответственная и серьезная работа. Не все знают, что, например, неправильная трассировка печатных проводников в мощном усилителе, может в десятки раз увеличить уровень его нелинейных искажений или даже сделать вообще неработоспособным. Поэтому для разработки печатных плат привлекались профессиональные конструкторы, специализирующиеся в этой области.

Таблица 1. Технические характеристики

Описание работы

      Принципиальная электрическая цифрового усилителя показана на рис.2. Перечень элементов дан в табл.1.

      Двухканальный усилитель НЧ состоит из трех конструктивно объединенных блоков – микросхемы контроллера (DA1), микросхемы мощного оконечного каскада (DA2) и пары демодулирующих LC фильтров второго порядка (L5, C36 и L6, C37). Микросхема контроллера (DA1) предназначена для формирования ШИМ сигнала на рабочей частоте F_раб=360 кГц с использованием входного музыкального сигнала. Микросхема содержит два идентичных канала формирования, генератор рабочей частоты и цепи управления мощным оконечным ключевым каскадом на DA2.

      Двуполярное напряжение питания подается на контакты Х1(+), Х2(общий) и Х3(-).

      В стереофоническом режиме источник сигнала подключается к Х4(-IN1), Х5(+IN1) и Х6(-IN2), Х7(+IN2). Нагрузка подключается к Х10(-OUT1), Х11(+OUT1) и Х8(-OUT2), Х7(+OUT2).

      В мостовом моно режиме источник сигнала подключается к Х4(-IN), Х5(+IN) или Х6(-IN), Х7(+IN). Нагрузка подключается к Х11(+OUT) и Х8(-OUT).

      Для выбора стереофонического режима работы перемычки J1 и J4 необходимо замкнуть. А перемычки J2 и J3 должны находится в разомкнутом состоянии.

      Для выбора мостового режима работы перемычки J1 и J4 необходимо разомкнуть. А перемычки J2 и J3 необходимо замкнуть между собой так, чтобы замкнулись ножки DA1 4-8 и 5-9. Это делается при помощи самостоятельно изготовленного шлейфа.

      Переключатель SW1 предназначен для управления режимом ON/MUTE/OFF усилителя. При установке перемычки в положение “1” усилитель переходит в состояние ON (Вкл), в положение “2” – в состояние MUTE (Пауза) и при “3” – в состояние OFF (Выкл).

Рисунок 2. Схема электрическая принципиальная усилителя

Таблица 2. Перечень элементов усилителя

Конструкция

      Внешний вид устройства показан на рис.3, печатная плата на рис.4, расположение элементов на рис.5.

      Конструктивно усилитель выполнен на двусторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. Конструкция предусматривает установку платы в корпус, для этого предусмотрены монтажные отверстия по краям платы под винты 2.5 мм.

      Микросхему оконечного усилителя (DA2) при необходимости можно установить на теплоотвод. Поскольку КПД УМ составляет 94% - тепловые потери минимальны даже на умеренной мощности. Площадь и конструкция радиатора подбирается пользователем самостоятельно. При монтаже рекомендуется использовать теплопроводную пасту типа КТП-8, для повышения надежности работы ИМС.

Рисунок 3. Внешний вид усилителя

Рисунок 4. Печатная плата усилителя

Рисунок 5. Расположение элементов на печатной плате усилителя

      ИМС имеет три встроенные системы защиты
      • от перегрева (при температуре перехода Tj > 150 °С автоматически переходит в режим приглушения до охлаждения)
      • от статического электричества (модель «человека» - 3000 В) защищены все выводы
      • от перегрузки по току и КЗ выхода. Максимальный выходной ток «по умолчанию» равен 7А и может быть уменьшен до значения lo,ma = 7 • 104/(Ю4+ RL|M), [А] внешним резистором RL|M (см. рис.1 и рис.2).
Основные параметры;
      • напряжения питания ±15...±30 В
      • коэффициент усиления 36 дБ (моно-мостовой), 30 дБ (стерео)
      • входное сопротивление > 80 кОм
      • напряжение шума на выходе < 100 мкВ
      • коэффициент подавления пульсаций питающих напряжений > 60 дБ
      • разделение между каналами > 50 дБ
      • максимальная рассеиваемая мощность 60 Вт
      • напряжение смещения нуля на выходе < 50 мВ
      • коэффициент гармоник 0,1% (1 кГц), 0,2% (10 кГц, 1 Вт)
      TDA8920 выпускается в двух конструктивных вариантах - 17-вы-водном SOT243 (TDA8920J, рис.3) и 20-выводном SOT418 (TDA8920TH, рис.4) для монтажа на поверхности, оба изображены справа в натуральную величину. Рекомендуемые области применения - УНЧ высококачественных телевизоров, систем Домашнего Театра, а также мультимедийные системы.

            Кстати сказать, Турута говорит, что в двухканальном варианте она может на 4Ома работать. Теоретически вроде как мысль верная, однако на практике мы еще не пробовали. А Вы?