1. Основні принципи роботи УМЗЧ з мостовим виходом
2. Мікросхема УМЗЧ SSM2211 фірми Analog Devices
3. Мікросхема УМЗЧ SSM2250 фірми Analog Devices
4. Основні принципи роботи УМЗЧ класу D
5. Мікросхема УМЗЧ класу D MAX4295 фірми Maxim
6. Особливості мікросхеми УМЗЧ класу D MAX4297 фірми Maxim
7. література
8. Інші статті на Цю тему:

2005

Підсилювачі потужності звукової частоти (УМЗЧ) для серійної апаратури, навіть дуже потужні і якісні, останнім часом перетворилися в дуже прості конструкції. Вони складаються з мікросхеми УМЗЧ, яка, як правило, встановлюється на радіаторі, і близько десятка деталей зовнішньої обв'язки. Правда, мікросхем цих дуже багато. Які їх особливості та відмінності? На це питання не можна повноцінно відповісти в одній публікації. Тому ця стаття присвячена тільки декількох мікросхемах, виробленим компаніями Analog Devices і Maxim, малопотужним і малогабаритним.

Дивно, але більша частина публікацій з мікросхем УМЗЧ стосується потужних і дуже потужних підсилювачів. Якимось чином поза розглядом опинилися мікросхеми, широко використовувані в малогабаритній і мініатюрної апаратурі. Одна з особливостей цих мікросхем - це малі розміри. До апаратурі, в якій застосовуються подібні УМЗЧ, можна віднести переносні комп'ютери, комунікатори, радіотеле- фони, схеми гучномовного телефонії та селекторного зв'язку, електронні словники і органайзери, музичні, що говорять іграшки та ігри (в тому числі кишенькові). Цей перелік можна продовжувати до нескінченності. Спробуємо заповнити інформаційну нішу, розглянувши в цій статті чотири мікросхеми УМЗЧ, розроблені і вироблені фірмами Analog Devices і Maxim.

Частина згаданої вище апаратури харчується низькою напругою 3-5 В і навіть менше. Крім того, в більшості з цих пристроїв використовуються хімічні джерела живлення. Тому до УМЗЧ, що застосовуються в цих пристроях, пред'являються під-

шенние вимоги по економічності. Для повноцінного використання низьковольтного джерела живлення в мікросхемах УМЗЧ для перерахованих застосувань дуже часто використовуються вихідні каскади з мостовим виходом.

Основні принципи роботи УМЗЧ з мостовим виходом

Такий пристрій містить два вихідних підсилювача (каналу), сигнали на виходах яких мають однаковий розмах, але протилежні фази. Вмикається гучномовець між виходами цих каналів. На рис. 1 показані дві найбільш поширені схеми управління мостового УМЗЧ - паралельна (рис. 1а) і послідовна (рис. 1б).

Мал. 1. Спрощені схеми УМЗЧ з мостовим виходом

Одним з достоїнств мостового УМЗЧ є відсутність розділового конденсатора на виході. Ще одна особливість, яка називається railtorail ( «від шини до шини»). Сенс її в тому, що при напрузі живлення U максимальний розмах вихідного сигналу на кожному з виходів може досягати U (від шини «земля» до шини напруги живлення), а на мостовому виходе- 2U (без урахування невеликих падінь напруги на вихідних транзисторах в режимі насичення). Для зменшення цих падінь напруги в вихідних каскадах мікросхем УМЗЧ застосовують МДП-транзистори з дуже малим опором каналу при відкритті таких транзисторів до насичення.

При паралельному управлінні (рис. 1а) один канал представляє собою інвертується підсилювач, а інший - неинвертирующий. У мостовому УМЗЧ з послідовним (рис. 1б) управлінням обидва канали є інвертується підсилювачами. Такі підсилювачі в англомовній технічній документації іноді називають Master-Slave (дослівний переклад - «господар-раб», проте в технічній літературі використовується термін «ведучий-ведений»). У цій схемі (див. Рис. 1б) сигнал на другий канал надходить з виходу першого через дільник (R1, R2), за допомогою якого вирівнюється розмах інверсного сигналу на вході каналу 2 щодо сигналу на вході каналу 1, а значить, забезпечується рівність розмахів протифазних сигналів на виходах УМЗЧ, між якими підключений гучномовець.

Мікросхема УМЗЧ SSM2211 фірми Analog Devices

Мікросхема SSM2211 фірми Analog Devices - це високоякісний УМЗЧ з мостовим виходом і плавним (без клацання) включенням і вимиканням. Мікросхема здатна розвивати потужність 1 Вт на навантаженні опором 8 Ом або 1,5 Вт на навантаженні в 4 Ом. Діапазон робочих температур - від -20 до +85 ° C. Ця мікросхема живиться від одиночного джерела живлення +2,7 ... +5,5 В, але при цьому зберігає працездатність при зниженні напруги до 1,75 В. При вихідній потужності 1 Вт коефіцієнт нелінійних спотворень (THD) не перевищує 0,2 %, а смуга робочих частот становить 4 МГц. Мікросхема виготовляється в одному з двох 8-вивідних корпусів: SOIC (SSM2211S) для поверхневого монтажу або PDIP (SSM2211P). Максимальні розміри мікросхеми SSM2211S- 4x5x1,75 мм, а SSM2211P - 7,11x10,92x4,95 мм.

Мал. 2. Функціональна схема мікросхеми SSM2211 фірми Analog Devices

Функціональна схема SSM2211 показана на рис. 2, а розташування виводов- на рис. 3 (масштаб тут і нижче не дотримується). Призначення висновків мікросхеми SSM2211 зведено в табл. 1.

Таблиця 1. Призначення висновків мікросхеми SSM2211 фірми Analog Devices

Мал. 3. Розташування висновків мікросхеми SSM2211 фірми Analog Devices

З рис. 2 видно, що в мікросхемі використовується послідовне управління каналами. Мікросхема SSM2211 має диференційний вхід (висновки 3 і 4) і бруківці вихід (висновки 5 і 8). До висновку 2 підключається зовнішній конденсатор, яким заземляется по змінної складової неінвертуючий вхід другого каналу. Внутрішні резистори, підключені до цих висновків, - це дільник початкового зсуву неинвертирующего входу другого каналу. Два інших внутрішніх резистора - це ланцюг ООС, що визначає коефіцієнт посилення каналу 2, а значить, вирівнює розмах вихідного сигналу на виводі 8 з розмахом сигналу на виводі 5. При подачі низького потенціалу (до 1 В) на висновок 1 (SHUTDOWN) вихідні каскади каналу 2 плавно закриваються і споживання мікросхеми значно знижується. При високому рівні напруги, що управляє (більше 1,7 В) на цьому висновку схема управління напругою зміщення на роботу мікросхеми не впливає. Типова схема включення мікросхеми SSM2211 показана на рис. 4.

Мал. 4. Типове включення мікросхеми SSM2211

Конденсатор CS блокує джерело живлення по змінної складової струму мікросхеми. Як цього конденсатора, як правило, використовується конденсатор фільтра харчування всього пристрою. Конденсатор CC- розділовий, а CB блокує неінвертуючий входи обох каналів мостового підсилювача. Завдяки зовнішньому з'єднанню неінвертуючий входів (висновки 2 і 3) схема управління зміщенням управляє включенням і вимиканням обох каналів. Зворотній зв'язок через RF, а також обмежує резистор RI задають коефіцієнт посилення УМЗЧ по напрузі, визначити який можна за формулою:

На рис. 5 показано, як можна підключити до мікросхемі SSM2211. У цій схемі кожен канал навантажений на свій гучномовець. Таке підключення гучномовців (один провід і шина корпус) на відміну від мостового (двухпроводного) включення називають однопровідним і скорочено позначають SE (Single-Ended).

Якщо зі схеми рис. 5 вилучити один гучномовець, наприклад BA1, що цілком допустимо, то коефіцієнт посилення УМЗЧ по напрузі буде вдвічі менше, ніж при типовому включення, і визначити його можна за формулою:

Мікросхема УМЗЧ SSM2250 фірми Analog Devices

Мікросхема SSM2250 фірми Analog Devices є стереофонічний УМЗЧ, основне застосування якого-це звукові карти різних комп'ютерів, включаючи настільні. Головна особливість цієї мікросхеми - це наявність двох режимів роботи: «стерео» (при роботі на головні телефони) і «моно» (при роботі на внутрішній гучномовець комп'ютера). У режимі «моно» мікросхема розвиває потужність до 1,5 Вт на навантаженні в 4 Ом, в режимі «стерео» - до 250 мВт на головні телефони (на навантаженні 32 Ом - номінальна потужність 2x90 мВт). Опір застосовуваних у схемі головних телефонів лежить в межах від 32 до 600 Ом (оптимальне опір 80 Ом). Діапазон робочих температур - від -40 до +85 ° C.

Мал. 5. Підключення двох гучномовців до мікросхемі SSM2211

Функціональна схема SSM2250 показана на рис. 6.

Уважний читач легко помітить, що включення двох верхніх підсилювачів (каналів мостової схеми) і схеми управління зміщенням збігається з функціональною схемою мікросхеми SSM2211 (див. Рис. 2). У цьому пристрої додані схема перемикання режимів «моно» і «стерео» (для телефонів) і ще один підсилювач, який використовується в якості підсилювача правого каналу для головних телефонів. У режимі «моно» входи LEFT IN і RIGHT IN з'єднані внутрішнім ключем мікросхеми, і її робота не відрізняється від роботи мікросхеми SSM2211. У режимі «стерео» (для телефонів) цей ключ розімкнути, а підсилювач з виходом BTL + замкнений, і в якості стереопідсилювача для головних телефонів використовуються верхній і нижній (див. Функціональну схему) підсилювачі.

Мікросхема виготовляється в одному з двох корпусів: MSOP, який має 10 висновків (SSM2250RM), або TSSOP з 14 висновками для поверхневого монтажу (SSM2250RU). Розташування висновків цих мікросхем показано на рис. 7, а призначення їх - в табл. 2.

Таблиця 2. Призначення висновків мікросхем SSM2250RM в корпусі MSOP (10 висновків) і SSM2250RU в корпусі TSSOP (14 висновків)

Типове включення мікросхеми SSM2250RU зображено на схемі рис. 8. На цій схемі так само, як і на функціональній схемі, в дужках вказані номери висновків мікросхеми SSM2250RM.

Мал. 7. Розташування висновків мікросхем SSM2250 в різних корпусах

Призначення деталей: C1, C2, C4, C5 - розділові конденсатори; C3 - блокує неінвертуючий входи обох каналів мостового підсилювача; R1, R2 - обмежують резистори; R3, R4 - резистори ООС; резистори R5, R6 працюють в режимі «моно» в якості еквівалентів навантаження при відключених головних телефонах; R7 - підтягаючий резистор, задає високий рівень на виводі SE / BTL.

Перемикання режимів «моно» і «стерео» (для телефонів) здійснюється вимикачем, який поєднаний з гніздом підключення головних телефонів X1. У режимі «моно» контакти цього вимикача розімкнуті і через резистор R7 на висновок SE / BTL подається високий потенціал. При цьому схема перемикання режимів забезпечує включення середнього підсилювача (за функціональною схемою рис. 6) і, якщо на виведення SHUTDOWN присутній високий потенціал, підсилювач працює на гучномовець як підсилювач з мостовим виходом. У режимі «стерео» в гніздо X1 (див. Рис. 6) вставлений штекер головних телефонів, і телефон лівого каналу шунтирует малим опором висновок SHUTDOWN на корпус, зменшуючи напругу на цьому висновку. При цьому середній підсилювач (за функціональною схемою) закривається, а верхній і нижній працюватимуть на головні телефони.

Основні принципи роботи УМЗЧ класу D

Найбільш радикальним способом підвищення економічності УМЗЧ є використання режиму роботи класу

D. В цьому режимі вихідні транзистори можуть перебувати тільки в замкненому або відкритому до насичення стані, тобто працюють в ключовому режимі. У режимі роботи класу D вхідний аналоговий сигнал звукової частоти перетвориться в імпульси прямокутної форми однаковоюамплітуди, тривалість яких пропорційна миттєвому значенню вхідного сигналу в момент вибірки. Таке перетворення називається широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). Підсилювачі класу D мають максимальний ККД, так як основні втрати енергії на вихідних потужних ключах відбуваються тільки в момент перемикання, при насиченні втрати енергії мінімальні і будуть тим менше, чим менше опір насиченого ключа. Звичайні підсилювачі класу D мають ККД близько 90% і досить великий коефіцієнт нелінійних спотворень (до 10%), але застосування нових технологій (ноу-хау виробників) дозволяє знизити коефіцієнт нелінійних спотворень до часток відсотка.

Мал. 8. Типове включення мікросхеми SSM2250RU (RM)

Спрощена принципова схема УМЗЧ класу D показана на рис. 9. Основою цього підсилювача є звичайний двотактний безтрансформаторний УМЗЧ з інвертується входом, який використовується як широтно-імпульсний модулятор (ШІМ). Призначення деталей схеми: C1, C2, C4 - розділові конденсатори; C5- конденсатор фільтра харчування; R1 - обмежує резистор; R2 - резистор ООС; L1, C3 - фільтр нижніх частот.

Мал. 9. Спрощена принципова схема УМЗЧ класу D

На інвертується вхід підсилювача крім сигналу звуку надходить пилкоподібний (трикутний) сигнал з генератора. Частота роботи цього генератора лежить зазвичай в межах 200-600 кГц, але в деяких випадках може бути зменшена до 100 кГц або збільшена до 1,5 МГц. Розмах «пили» від генератора і коефіцієнт посилення УМЗЧ обрані так, щоб вихідні транзистори цього каскаду відкривалися поперемінно до насичення при переході напруги «пили» через нуль. Епюри напруг, що пояснюють роботу цієї схеми, показані на рис. 10.

Мал. 10. Епюри напружень УМЗЧ класу D

До моменту часу t1 (див. Рис. 10) звуковий сигнал на вході відсутній. «Пила» абсолютно симетрична, і на виході (точка B рис. 9) утворюються симетричні прямокутні імпульси (меандр). Шпаруватість цих імпульсів дорівнює 2. При подачі на вхід підсилювача сигналу НЧ «пила» буде зміщуватися вгору або вниз. Зміняться моменти відмикання транзисторів, і, як наслідок, будуть змінюватися тривалість вихідних імпульсів і пауза між ними (див. Рис. 10). Причому ці параметри будуть змінюватися за законом вхідного низькочастотного сигналу звуку. Отриманий імпульсний сигнал зі змінною шпаруватістю називають, як ми говорили вище, широтно-імпульсним, або ШІМ-сигналом, а процес його полученіяшіротно-імпульсною модуляцією (ШІМ). ШІМ-сигнал містить велику за амплітудою низкочастотную (звукову) складову, за формою повторює сигнал, що модулює. Далі ШІМ-сигнал надходить на ФНЧ (L1, C3), який пропустить НЧ-складову на гучномовець і придушить ВЧ-складові ШІМ-сигналу. За рахунок процесу заряду-розряду конденсатора ФНЧ змінну напругу на гучномовці буде зубчастим, що можна побачити на збільшеному фрагменті нижнього графіка на рис. 10. Ця зубчатість зменшується зі збільшенням частоти генератора ШІМ, а також при збільшенні постійної часу ФНЧ.

На виході сучасних УМЗЧ класу D використовуються потужні ключі на МДП-транзисторах, які відрізняються швидкодією і низьким опором каналу у відкритому стані, що дозволяє отримати високий ККД.

Таблиця 3. Призначення висновків мікросхем MAX4295 і MAX4297 фірми Maxim

Мікросхема УМЗЧ класу D MAX4295 фірми Maxim

Мікросхема MAX4295 фірми Maxim - це високоекономічний монофонический УМЗЧ класу D з мостовим виходом і плавним включенням і вимиканням (режим малого споживання). Мікросхема здатна розвивати потужність до 2 Вт на навантаженні опором 4 Ом при напрузі живлення 5 В або 0,7 Вт при напрузі живлення В. Діапазон робочих температур - від -40 до +85 ° C. Мікросхема живиться від одиночного джерела живлення +2,7 ... +5,5 В. При вихідної потужності 2 Вт і опорі навантаження (гучномовця) 4 Ом ККД становить 87%. Одна з особливостей цієї мікросхеми - можливість програмно встановлювати частоту генератора пилкоподібної напруги (125, 250, 500 або 1000 кГц). Коефіцієнт нелінійних спотворень (THD + N) не перевищує 0,4%, при навантаженні 4 Ом і частоті ШІМ 125 кГц. Смуга робочих частот становить 1,5 МГц. Мікросхема виготовляється в корпусі QSOP, який має 16 виводів. Функціональна схема мікросхеми MAX4295 показана на рис. 11,

Рис.11. Функціональна схема мікросхеми MAX429

а розташування висновків - на рис. 12.

Мал. 12. Розташування висновків мікросхеми MAX4295 фірми Maxim

Призначення висновків цієї мікросхеми дано в табл. 3.

Мікросхема MAX4295 містить попередній підсилювач (верхній ліворуч, див. Рис. 11), 5 фірми Maxim, схему управління живленням і схему захисту, генератор імпульсного напруги, схему порівняння (компаратор) ШІМ, два канали посилення, кожен з яких складається з передвихідного каскаду і вихідного двотактного ключового каскаду на компліментарних МДП-транзисторах. Крім того, навходе одного з цих каналів встановлений інвертор. Напруга живлення на вихідні каскади мікросхеми надходить окремо від напруги живлення решти схеми. Частота роботи генератора імпульсного напруги, тобто частота ШІМ, визначається логічними рівнями на висновках FS1 і FS2 (див. Табл. 4).

Таблиця 4. Програмування частоти ШІМ

При подачі низького рівня напруги на вхід плавного виключення SHDN мікросхема плавно закривається, струм споживання знижується до 1,5 мкА і менш.

Типове включення мікросхеми MAX4295 зображено на рис. 13.

Мал. 13. Типове включення мікросхеми MAX4295

Розглянемо призначення деталей цієї схеми: C1 - розділовий конденсатор; C2, C3 - конденсатори фільтра харчування; C4, C5 - конденсатори фільтра харчування вихідних каскадів; C6 - конденсатор схеми плавного включення; R1- обмежує резистор; R2 - резистор ООС; L1, C7 і L2, C8 - фільтри нижніх частот.

Особливості мікросхеми УМЗЧ класу D MAX4297 фірми Maxim

Мікросхема MAX4297 фірми Maxim - це високоекономічний стереофонічний УМЗЧ класу D з мостовими виходами і плавним включенням-виключенням. Ця мікросхема відрізняється від MAX4295 наявністю другого мостового каналу посилення класу D, включаючи компаратор ШІМ, але має загальні каскади - генератор «пили», схему управління живленням і схему захисту. Мікросхема виготовляється в корпусі SSOP, який має 24 виведення. Розташування висновків мікросхеми MAX4297 зображено на рис. 14, а призначення виводов- в таблиці 3.

Типове включення мікросхеми MAX4297 показано на рис. 15.

Мал. 14. Розташування висновків мікросхеми MAX4297 фірми Maxim

Типове включення мікросхеми MAX4297 показано на рис. 15.

Мал. 15. Типове включення мікросхеми MAX4297

Розібратися в призначенні деталей цієї схеми читач може самостійно, порівнявши цю схему зі схемою включення мікросхеми MAX4295.

Додаткову інформацію про представлених у цій статті мікросхемах можна знайти на сайтах виробників:

• http://www.analog.com
• http://www.maxim-ic.com

література

1. Савельєв. Е. Підсилювач класу D для сабвуфера // Радіо. 2003. № 5.
2. Дайджест «Нова техніка і технологія» // Радіохоббі. 2001. № 2.
3. Колганов А. Автомобільний УМЗЧ з блоком живлення // Радіо. 2002. № 7.
4. Безверхній І. Сучасні мікросхеми для УМЗЧ класу D фірми MPS // Сучасна електроніка. 2004. № 1.
5. Low Distortion 1.5 Watt Audio Power Amplifier SSM2211. Analog Devices.
6. Mono 1.5 W / Stereo 250 mW Power Amplifier SSM2250. Analog Devices.
7. Mono / Stereo 2W Switch-Mode (Class-D) Audio Power Amplifiers MAX4295 / MAX4297. MAXIM.

Завантажити статтю в форматі PDF

Інші статті на Цю тему:

повідоміті про помилки