Схемотехніка та мікросхеми для сучасних УМЗЧ класу D

Нове сімейство високоточних ІОНів від TI

За своєю точністю та ефективністю нове сімейство ІОНів REF50xx наближаються до прихованих (buried) зенерівських діодів, але при цьому мають більш низьку вартість

Прецизійний ОУ з однополярним живленням, e-Trim™ точністю та низьким рівнем шуму

Texas Instruments представила [[оперативний підсилювач]] з однополярним харчуванням

Особливості застосування операційних підсилювачів при однополярному харчуванні

Тенденції застосування електронних компонентів спрямовані на зниження енергоспоживання та вартості, тому в сучасних виробах використовується однополярне харчування, і з кожним роком значення напруги живлення зменшуються. У статті розглянуто основні проблеми, з якими стикається розробник при використанні операційних підсилювачів у схемах з однополярним харчуванням.

Збільшення ККД підсилювачів потужності звукової частоти (УМЗЧ) – одне з важливих завдань розробника, що носиться (мобільних) та інших аналогових і цифрових пристроїв. Найчастіше найкращим вирішенням цього завдання є застосування УМЗЧ класу D. В останні роки з'явилося безліч спеціалізованих мікросхем УМЗЧ класу D з високим ККД (майже 100%) та невеликим коефіцієнтом нелінійних спотворень (помітно менше 10%). У статті описані основні принципи роботи та схемотехніка підсилювачів класу D на мікросхемах УМЗЧ різних фірм.

протягом двох десятків років схемотехніка УМЗЧ розвивається у двох взаємовиключних напрямках. По-перше, це покращення суб'єктивної якості відтворення звуку (як правило, за рахунок зменшення ККД підсилювача), а по-друге — підвищення економічності (ККД) підсилювача та зменшення його розмірів за збереження високих показників якості звуку. У вихідних каскадахпідсилювачів першого типу використовуються потужні польові транзистори або радіолампи (Hi-End), що працюють у лінійному режимі - класі А або його модифікаціях. Другий напрямок розвивається головним чином у секторі носійної та автомобільної звуковідтворювальної апаратури. Саме тут широко використовуються підсилювачі класу D. У високоякісній стаціонарній звуковідтворювальній апаратурі клас D також почав використовуватися — найчастіше в підсилювачах для сабвуфера, де через малу смугу пропускання вдається досягти невеликих спотворень.

Сучасні «класичні» мікросхеми УМЗЧ класу D

Помітно розширити застосування УМЗЧ класу D дозволило створення мікросхем, що містять драйвер, а й вихідні ключі на МДП-транзисторах. Прикладом можуть бути мікросхеми серії MP77хх фірми MPS (Monolithic Power Systems). Усього на момент написання статті таких мікросхем було п'ять: MP7720, MP7722, MP7731, MP7781 та MP7782. На номінальну вихідну потужність опосередковано вказує передостання цифра у найменуванні мікросхеми (див. табл. 1).

Таблиця 1. Основні параметри мікросхем УМЗЧ класу D фірми MPS

Номінальна потужність, Вт (Uпіт = 24 В, навантаження 4 Ом)

50 (навантаження 6 Ом)

Коефіцієнт нелінійних спотворень (THD+N), % (на частоті 1 кГц при вих. потужності 1 Вт)

0,06 (навантаження 8 Ом) 0,16 (навантаження 4 Ом)

Частота перетворення ШІМ, кГц

Опір каналу вихідних МДП-ключів у стані насичення, Ом

Динамічний діапазон, дБ

SOIC8 або PDIP8

Напруга живлення всіх мікросхем - 7,5 ... 24 В; ефективна напруга вхідного сигналу – 1 ст.

Винятком є мікросхема MP7782, що розвиває 50 Вт на навантаженні 6 Ом. Пікова вихідна потужність всіх мікросхем цієї серії вдвічі більша за номінальну. Утаблиці 1 наведено також інші важливі параметри мікросхем MP77хх. Наприклад розглянемо докладніше УМЗЧ на мікросхемах MP7722 і MP7782.

Мікросхема стереофонічного УМЗЧ класу D MP7722

Область застосування цієї мікросхеми — DVD-програвачі, домашні стереосистеми, мультимедійні ПК, телевізори — як звичайні, так і плоскопанельні (LCD і PDP). ,5×6,5 мм при висоті 1,2 мм. УМЗЧ на цій мікросхемі має номінальну потужність 20 Вт при опорі навантаження 4 Ом та напрузі живлення 24 В. Діапазон відтворюваних частот - 20 Гц ... 20 кГц. Підсилювач має ККД 90% при коефіцієнті нелінійних спотворень трохи більше 0,1% всього діапазону частот (при вихідний потужності 1 Вт). У кожен канал мікросхеми вбудовані по два вихідні ключі на МДП-транзисторах, які включені послідовно по живленню (напівостом). Принципова схема стереофонічного УМЗЧ класу D на мікросхемі MP7722 зображено малюнку 1, а призначення деталей зведено в таблицю 2.

Мал. 1. Принципова схема стереофонічного УМЗЧ класу D на мікросхемі MP7722

Таблиця 2. Призначення деталей «обв'язування» мікросхеми MP7722

Коефіцієнт посилення по напрузі будь-якого каналу мікросхеми MP7722 так само, як і в операційних підсилювачів при інверсному включенні, дорівнює відношенню опорів ООС резистора і обмежує резистора на вході цього каналу. AV1 і AV2 (саме так позначені коефіцієнти посилення по напрузі в документації фірми MPS) для кожного з каналів можна розрахувати за формулами:

Знаки "мінус" у цих формулах показують, що вихідні сигнали мікросхеми протифазні вхідним. Одна з особливостеймікросхеми MP7722 - залежність частоти ШІМ від напруги живлення та рівня сигналу. Тому визначальною під час розрахунків є частота ШІМ без вхідного сигналу (так звана idle frequency). Вона задається окремо для кожного з каналів конденсаторами (CINT1, CINT2) і резисторами ООС (RFB1, RFB2). Залежність частоти ШІМ від напруги живлення мікросхеми та номіналів ряду елементів схеми наведена у таблиці 3.

Таблиця 3. Залежність частоти ШІМ мікросхеми MP7722 від напруги живлення мікросхеми та номіналів RFB, RIN та CINT

Номери каналів у позначенні деталей у цій таблиці не вказані. Для цього достатньо на висновки 6 (для приглушення - 10) подати потенціал менше 0,4 В. У нормальному режимі цих висновків має бути напруга більше 2 В.

Мікросхема УМЗЧ класу D MP7782 від MPS

Область застосування цієї мікросхеми ширша, ніж у MP7722. Крім DVD-програвачів, домашніх стереосистем, мультимедійних ПК та телевізорів, мікросхема MP7782 може використовуватись у сабвуферах. Вона так само, як і MP7722, випускається в корпусі для поверхневого монтажу TSSOP20F і має з цією мікросхемою багато спільного, незважаючи на те, що мікросхема MP7782 це монофонічний УМЗЧ класу D з мостовим виходом. На навантаженні 6 Ом УМЗЧ на MP7782 здатний розвивати вихідну потужність 50 Вт. Враховуючи, що МС MP7782 має мостовий вихід, можна говорити (див. [1]), що вона має два канали посилення (УМЗЧ), що працюють у протифазі. Наявність двох каналів посилення MP7782, той же корпус і схожа цоколівка зближує цю мікросхему з розглянутої вище MP7722. Принципова схема монофонічного УМЗЧ класу D на цій мікросхемі показана намалюнку 2.

Мал. 2. Принципова схема монофонічного УМЗЧ класу D на мікросхемі MP7782

Порівнюючи цю схему із схемою УМЗЧ на мікросхемі MP7722 (див. рис. 1), легко розібратися у призначенні деталей. Частота ШІМ без вхідного сигналу тут так само залежить від напруги живлення (VDD), ємностей конденсаторів C4, C10 і C13 і опорів резисторів R1, R3, R4 і R8. При цьому часзадающим конденсатором вважається C4. Місткістю цього конденсатора задається оптимальне значення частоти ШІМ без вхідного сигналу (400...600 кГц) при номінальних ємностях конденсаторів C10, C13 в межах 1...2,2 пФ.

УМЗЧ класу D без дроселів на виході

У мікросхемах УМЗЧ класу D третього покоління, що випускаються Texas Instruments, використовується технологія (фірмове ноу-хау), яка дозволяє значно знизити амплітуду і тривалість імпульсів ШІМ між виходами, а значить, істотно зменшити габарити дроселя ФНЧ, а в більшості випадків відмовитися від нього . У чому суть цього ноу-хау? Для відповіді це питання розглянемо основні принципи побудови і роботи УМЗЧ класу D третього покоління. По-перше, такий підсилювач повинен мати бруківку (тобто мати два виходи — прямий та інверсний). По-друге, сигнали звуку на виходах (прямому та інверсному) мають бути протифазними. І, нарешті, головне: імпульсні сигнали ШІМ на цих виходах мають бути синфазними. Останнє досягається практично тільки в режимі спокою (без сигналу). Спрощена схема УМЗЧ класу D з мостовим виходом без ФНЧ показана на малюнку 3.

Мал. 3. Спрощена схема УМЗЧ класу D з мостовим виходом без ФНЧ

Він містить два вихідні підсилювачі (каналу), НЧ-сигнали на виходах яких мають однаковий розмах, але протилежні фази. У кожному каналіє свій ШІМ. При цьому прямокутні сигнали на виході схеми в режимі спокою синфазні або мають невеликий фазовий зсув (див. рис. 4).

Мал. 4. Епюри напруги та вихідного струму УМЗЧ класу D з мостовим виходом без фільтра в режимі спокою (вгорі) та при позитивному миттєвому значенні НЧ-сигналу (внизу)

Мікросхема TPA2013D1

Мікросхема TPA2013D1 розрахована на застосування в пристроях, що носяться (мобільних) з батарейним живленням і має вбудований підвищуючий перетворювач, який дозволяє підтримувати в навантаженні постійну потужність при значній зміні напруги живлення. Так, при живленні від літій-іонних акумуляторів з напругою від 2 3 до 4,8 В УМЗЧ може підтримувати постійну вихідну потужність 1,5 Вт. При напрузі живлення 3,6 В підсилювач TPA2013D1 розвиває потужність 2,7 Вт на навантаженні 4 Ом або 2,2 Вт на навантаженні 8 Ом. Мікросхема має ККД 85%. Діапазон напруги живлення (VDD) - від 1,8 до 5,5 В. Мікросхема TPA2013D1 випускається тільки для поверхневого монтажу в корпусах QFN розміром 4 × 4 мм з 20 плоскими висновками (TPA2013D1RGP) або WCSP розміром 2,275 × 2 16 кульковими висновками (TPA2013D1YZH). Максимальна вихідна потужність мікросхем у корпусах QFN та WCSP помітно відрізняється і залежить від температури навколишнього середовища (див. табл. 4).