Микросхемы для построения импульсных усилителей звуковых частот в современной звуковой и в

В статье рассмотрены основные характеристики серийных микросхем импульсных усилителей звуковых частот и особенности их применения.



В последнее время сфера применения импульсных усилителей звуковых частот (ИУ) существенно расширилась. Они применяются втелевизорах, мобильных телефонах и «гаджетах», CD/DVD-ресиверах и домашних кинотеатрах, автомобильной аппаратуре и профессиональных концертных усилителях большой мощности. Это обусловлено тем, что ИУ существенно пре-жх:ходят линейные УМЗЧ по КПД и в ряде случаев не требуют громоздких тсплоотводов. Высокая эффективность усилителей особенно важна для мобильных устройств, питающихся от аккумуляторов.
Основой большинства современных ИУ являются  специализированные микросхемы. С целью выявления наиболее широко используемых типов микросхем для ИУ и их производителей автором был выполнен анализ схемотехнических решений десятков моделей ресиверов, мини- и микросистем и систем домашних кинотеатров, выпущенных в 2002-2007 гг. В результате выяснилось, что импульсные усилители средней и большой мощности в звуковых трактах аппаратуры перечисленных категорий, наряду с традиционными усилителями, применяют фирмы JVC, LG, Philips, Samsung, Sony и некоторые другие. Реализованы ИУ в основном на специализированных интегральных микросхемах ведущих фирм (NSC, NXP, STM, TI и ONS), а так-же «полупроводникового» отделения фирмы Sony. Микросхемы для ИУ, особенно для мобильных применений, представлены в каталогах 2008 г. и других фирм.
Схемотехника ИУ весьма разнообразна. Кроме усилителей в классе D существуют и другие, в том числе с патентованными технологиями DDX, UcD, Digital Power Processing, Pure-PathTM и т.д. Нередко для подобных устройств используется термин Digital Amplifiers, хотя реально звуковые сигналы в них преобразуются не в цифровую, а в импульсную форму, т.е. являются дискретно-аналоговыми. Тем не менее, отнесение некоторых ИУ к классу цифровых возможно, поскольку в ресиверах CD/DVD с ИУ, выполненных по технологии DDX, не используются ЦАП, а при воспроизведении дисков цифровые звуковые сигналы подаются на преобразователи кода во временной интервал. Технология DDX запатентована фирмой Apogee; микросхемы DDX на основе лицензионного соглашения выпускает фирма STM и, возможно, другие производители. В частности, фирма Sony в 2004-2007 гг. выпустила ряд моделей CD/DVD/SACD-ресиверов, в которых отсутствует ЦАП перед ИУ, однако ссылки на патенты фирмы Apogee в документации отсутствуют, а структура микросхем не раскрывается. Схемотехника усилителей в классе D базируется в основном на широтно-им-пульсной модуляции, реже используется одноразрядная дельта-сигма-модуляция. В рассмотренной автором аппаратуре с ИУ в основном использованы микросхемы фирм NXP (TDA8920/8924/8926/8927), STM (STA501/502/ 505/506) иТ1 (SAT5110/ 5 И 2/5142/ 5508); фирма Sony, как правило, использует ИС собственного производства (CXD9702/9750/9774/9775/9883). Некоторые модели микросистем Philips базируются на ИУ, построенных на дискретных элементах.
В каталоге фирмы NXP на 2008 г. представлены следующие микросхемы для импульсных усилителей: TDA8920/B/C - усилители мощности в классе D с выходной мощностью 2 х 80/100/110 Вт (2002-2008 гг.); TDA8922/B - 2x25/50 Вт (2003-2004 гг.); TDA8924 - 2х 120 Вт (2006 г.); TDA8925 -2 х 15 Вт или 2 х 25 Вт (2004 г.); TDA8926/TH -  2 х  50 Вт (2002  г.); TDA8927/TH 2 х 80 Вт (2002 г.); TDA8928-2 х 10 Вт или 2x20 Вт (2004 г.); TDA8929T - контроллер ИУ в классе D (2001 г.); TDA8931 - компаратор с выходной мощностью 20 Вт (2005 г.); TDA8932/B - усилитель мощности в классе D (2006 г.); TDA8933 - усилитель мощности в классе D (2007 г.); TFA9810 - компаратор с выходной мощностью 2 х 12 Вт (2008 г.).
Микросхема TDA8920 впервые выпущена в 1998 Г. в корпусах DBS 17Р и HSOP20 (под маркой Philips Semiconductor). В 2002 г. она была модернизирована - увеличена выходная мощность до 2x80 Вт, улучшены некоторые параметры, корпус заменён на HSOP24 (версия SOT566-3). Основные параметры микросхемы TDA8920 представлены в таблице.

 

Основные параметры микросхем для ИУ звуковых частот

Тип
Тип усилителя
PвыхSE, Вт
PвыхBTL, Вт Uпит,В
Iпотр,мА
КПД,%
КНИ,%
Ку,дБ
Uш,мкВ
SVRR,дБ
Rвх,кОм
Тип корпуса
Произв.
STA500
PS
2x30
60
30
Ic 3,5А






PowerS036
STM
STA505
PS 2x50
80
40
Ic 3,5А





PowerS036 STM STA506
PS 2x60
80
S
4






PowerS036 STM STA506A
PS 2x60
80
45
4






PowerS036 STM STA508
PS 2x80
160
40
4.5






PowerS036 STM STA515 PS 4x20
60
40
3






PSS036 slug up
STM STA516B PS 2x160
320
60
6






PSS036 slug up
STM STA517B PS 1x175
350
60
6






PSS036 slug up
STM STA518 PS 4x24
80
40
3.5






PSS036 slug up
STM TDA7480
PA
1x10

±10...16 25
85
0.1
30
12
60
30
DIP20
STM TDA7481
PA 1x18

±10...25 55
85
0.1 30 12
60 30
Multiwatt15
STM TDA7482 PA 1x25

±10...25 40
87
0.1 30 12
60 30
Multiwatt15 STM TDA7490 PA 2x25
50
±10...25 70
89
0.1 30 12
60 30
Rexiwatt25
STM TDA7491 PA 2x20

5...18
26
90
0.1 20,26,32
25
50
60
PowerSSO-36 STM TDA7491LPS
PA 2x5

5...14
26
90 0.1 20,26,32 25
50 60
PowerSSO-36
STM TDA7491MVS PA 1x25

5...18 26
90 0.1 20,26,32 25
50 60
PowerSSO-36
STM TDA7491P PA 2x10

5...18 26 90 0.1 20,26,32 25
50 60
PowerSSO-36
STM
TDA8920 PA 2x80
140
±15...30 75
90 0.02
30 230
55
68
HS0P24
NXP TDA8920B PA 2x100
210
±12.5...30 50

0.02 30 210
50
68
HS0P24
NXP TDA8920C PA 2x110
210
±12.5...30 50
88
0.05 30 160
70
63
HS0P24
NXP TDA8922 PA 2x25
50
±12.5...30 55
90 0.02 30 230
50
68
HS0P24
NXP TDA8922B PA 2x50
88
±12.5...30 50

0.02 30
50

HS0P24
NXP TDA8924 PA 2x120
240
±12.5...30 100
83
0.05 28
230
50
68
HS0P24
NXP TDA8925 PS
2x15...25

±7.5...30 25
94
0.05



DBS17P
NXP TDA8926 PS 2x50
100
±15...30 35
94
0.01 30


DBS17P
NXP TDA8927 PS 2x80
150
±15...30 35
94
0.01 30


HS0P24 NXP TDA8928J PS 2x10
20
±7.5...30 25
90 0.05



DBS17P NXP TDA8931 PC 1x20

±6...17.5 20
91
0.02 20
128
48

SO20 NXP TDA8932 PA 2x15
30
±5...18 40
93
0.015 30 100
50
100
SO32 NXP TDA8933 PA 2x10
20
±5...18 40
90 0.01 30 100
50
100
SO32 NXP TFA9810 BA
2x12

8...20
35
89
0,04
19,7
150
45

SO32
NXP

Источниками информации для таблицы послужили официальные листы данных производителей (data sheets) на каждый тип микросхемы. Значения ряда параметров в них нередко измерены при различных внешних факторах (сопротивления нагрузки, уровень искажений, частота и т.п.), поэтому для более корректного сравнения микросхем между собой следует использовать их листы данных.
Типы усилителей: PA (Power Amplifier) - полный усилитель мощности; PS (Power Stage) - оконечный каскад усилителя мощности; PC (Power Comparator) - мощный одиночный компаратор St; BA (Stereo full-bridge audio amplifier) - стереофонический мостовой усилитель. Сокращениями в таблице обозначены: S-тоже значение, что и выше; N - параметр не нормирован; D - параметр можно определить по графикам в листах данных.
Свойства цифровых усилителей фирмы STM (STA...) списываются набором параметров, существенно отличающимся от приведённого в таблице, поэтому для них приведены только некоторые основные параметры. Параметр Urn соответствует выходному уровня шума у усилителей NXP и приведённому ко входу у усилителей STM (параметр eN - total input noise).

 

Рис. 1. Принципиальная схема звукового тракта DVD ресивера PHIUPS-LX-3600D
0SC - задающий генератор; PWM MOD - ШИМ-модулятор; INP STAGE - входной каскад; TEMP SENSOR - датчик температуры

 

На рисунке 1 приведена схема одного из ИУ (усилители фронтальных каналов) DVD-ресивера PHILIPS-LX-3600D (2003 г.). Микросхема TDA8920 состоит из двух одинаковых каналов, в состав которых входят: входные каскады (INP STAGE), широтно-импульс-ные модуляторы (PWM), схемы управления (CTRL HAND-SHAKE), выходные ключи (DRIVER HIGH/LOW). Общими узлами являются: генератор треугольного напряжения (OSC), схема защиты от перегрузок и перегрева (TEMP SENSOR/CURRENT PROT) и схемы управления (MODE, STABI, MANAGER). Генератор треугольного напряжения может работать в режиме автоколебаний, в этом случае вывод 7 микросхемы должен быть соединён с выводами 1, 12 (Vssa) через резистор Rose и конденсатор Cose. Фирмой рекомендованы номиналы ROSC = 30 кОм, СOSC = 220 пФ; при этом частота генерации составляет порядка 350 кГц. В режиме внешней синхронизации резистор и конденсатор отключают, а на вывод 7 микросхемы подают тактовый сигнал размахом 3...5 В. В рассматриваемом ресивере используется внешний тактовый генератор 301,35 кГц (или 350 кГц).

Входные парафазные сигналы подаются на выводы 9,8 и 5,4 микросхемы, где преобразовываются в импульсные. Выходные ШИМ-сигналы ИУ с выводов 16, 21 через ФНЧ 2-го порядка с частотой среза около 50 кГц. поступают на акустические системы. Напряжения питания Vdd, Vss ± 28 В подаются на соответствующие выводы микросхемы через высокочастотные дроссели (BEAD). Весь ИУ с целью снижения высокочастотных излучений полностью экранирован.
Микросхема TDA8924 (ТН) по структуре и назначению выводов не отличается от TDA8920; их корпуса также одинаковы. Параметры микросхемы TDA8924 приведены в таблице.
Микросхема TDA8932 является высокоэффективным ИУ в классе D. В качестве выходных ключей применены диффузионные МОП-транзисторы (Diffusion Meial Oxide Semiconductor). В стереофоническом режиме возможно получение выходной мощности 2 х 15 Вт на нагрузке 4 Ом без использования теплоотвода (в мостовом включении BTL мощность составляет 30 Вт). Однополярное напряжение питания составляет 10...36 В, двух-полярное ±(5— 18) В. Возможна работа с внутренним и внешним задающими генераторами. Микросхема предназначена для использования в телевизорах и мониторах, в системах мультимедиа, беспроводных акустических системах, мини- и микросистемах и т.п. Основные параметры ИС приведены в таблице.

 

Рис. 2. Структура и нумерация выводов микросхемы TDA8932

 

Структура и нумерация выводов микросхемы TDA8932 приведены на рисунке 2. В состав ИС входят: задающий генератор (OSCILLATOR); входные дифференциальные усилители 1, 2; широтно-импульсные модуляторы (PWM MODULATOR); узлы управления (CTRL); предварительные импульсные усилители (DRIVER HIGH/LOW); силовые ключи 3-6; блок защиты (PROTECTIONS: OVP, ОСР, ОТР, UVP, TF, WP); устройство управления режимами (MODE, MENAGER); стабилизаторы на напряжения   11   В,   5   В   (Regulator 11V/5V), источник образцового напряжения Vdd/2.

 

Рис. 3. Типовое включение микросхемы TDA8932


Типовое включение микросхемы в стереофоническом режиме с однопо-лярным питанием (выводы Vssa, Vssd, Vsspl, Vssp2 соединены с корпусом) показано на рисунке 3. Входные парафаз-ные звуковые сигналы левого и правого каналов подаются на выводы 2, 3 и 14,15 соответственно. Внутренний генератор треугольного напряжения работает в режиме автоколебаний, вре-мязадающая цепь Rose, Cose, подключённая к выводу 10, обеспечивает частоту- генерации порядка 320 кГц. При использовании в одном устройстве нескольких микросхем рекомендуется одну из них использовать в качестве ведущей (Master mode), остальные - в ведомом режиме (Slave mode).

При этом выводы 31 (OSCIO) всех микросхем соединяют между собой; у ведомых микросхем выводы 10 соединяют с выводами 16 (Vssd).
Режимы работы ИС определяются уровнями управляющих напряжений на выводах 6 (POWERUP) и 5 (ENGAGE). В дежурном режиме (Sleep) в обеих цепях напряжение должно быть менее 0,8 В, в режиме приглушения (Mute) на выводе 6 - от 2 до 6 В, на выводе 5 - менее 0,8 В; в рабочем режиме на обоих выводах должно быть напряжение от 3 до 6 В. Получение минимальных искажений при заданной выходной мощности ИУ возможно при правильном выборе напряжения источника питания. На рисунке 4 приведены зависимости выходной мощности микросхемы в стереорежиме от напряжения питания при различных сопротивлениях нагрузки и общих гармонических искажениях (рис. 4а - THD + N = 0,5%, рис. 4б-10%).
Для получения плоской АЧХ ИУ на выходе устанавливают ФНЧ Батерворта 2-го порядка; параметры элементов фильтра определяются сопротивлением нагрузки. Изготовителем ИС рекомендованы следующие номиналы пассивных компонентов Liс, Clc: при Rн = 4 Ом - 22 мкГн, 680 пФ, при RH = 6 Ом - 33 мкГн, 470 пФ; Rн -8 Ом - 47 мкГн, 330 пФ (стереорежим). При указанных значениях верхняя граничная частота ИУ по уровню -3 дБ составляет 50 кГц. Нижняя граничная частота определяется значением ёмкости конденсаторов СSE- 20 Гц по уровню -3 дБ при работе в стереорежиме обеспечивается при СSE = 2200 мкФ (Rн = 4 Ом), 1500 мкФ (Rн = 6 Ом), 1000мкФ(Rн = 8Ом).
Микросхема TDA8933 отличается от TDA8932 меньшей выходной мощностью, 2 х 10 Вт в однофазном режиме и 1 х 20 Вт в мостовом режиме; структура, назначение и нумерация выводов совпадают. Основные параметры микросхемы TDA8933 приведены в таблице.
Микросхема TFA9810 является мощным сдвоенным компаратором, предназначенным для использования в усилителях, работающих в классе D, и «цифровых» усилителях (DDX и т.п.). В отличие от рассмотренных выше микросхем (см. рис. 2), в структуру TFA9810 не включены генератор треугольного сигнала, ШИМ и входные аналоговые усилители. На входы микросхемы можно подавать как ШИМ-сигналы, так и аналоговые звуковые сигналы. Структура и нумерация выводов микросхемы приведены на рисунке 5. В состав микросхемы входят: компараторы (COMPARATOR 1, 2) входных импульсных сигналов, устройство управления (REFERENCE) и «теплоотводящая структура» (HEAT SPREADER), назначение остальных узлов - аналогичное.

 

Рис. 5. Структура и нумерация выводов микросхемы TFA9810

 

Режимы работы ИС, определяемые уровнем напряжения на выводе 6 (SO/OL), задаёт устройство управления (REFERENCE). При соединении вывода 6 с цепью Vssd HW (корпус) микросхема работает в режиме автоколебаний (SO), а на входы компараторов следует подавать аналоговые звуковые сигналы. При работе с отключённым выводом 6 микросхема переходит в режим с разомкнутой обратной связью, а на входы следует подавать ШИМ-сиг-налы. Напряжение на выводе 7 (ENABLE) задаёт рабочий (более 3 В) или дежурный (менее 0,8 В) режимы. При работе ИС в режиме автоколебаний к выводу 8 (CDELAY) подключается вре-мязадающий конденсатор. Выводы 1, 16, 17, 32 (Vssd HW) ИС должны быть соединены с фольгированными участками печатных, при этом необходимость в специальном теплоотводе отпадает. Основные параметры микросхемы TFA9810 приведены в таблице.

 

Рис. 6. Типовое включение микросхемы TFA9810

 

Типовое включение микросхемы TFA9810 с однополярным источником питания показано на рисунке 6, Параметры выходных ФНЧ даны для сопротивления нагрузки 4 Ом (совпадают с параметрами ФНЧ для микросхем TDA8932/8933). Рекомендованные катушки индуктивности L3 -L6: 8RDY TOKO A7040HN-220M, 11RHBP TOKO A7503CY-220M фирмы Toko или 7311NA-220M фирмы Saga mi. Параметры помехоподавляющих дросселей LI, L2: сопротивление на постоянном токе менее 0,5 Ом и более 80 Ом на частоте 10 МГц (например, SMD1206 фирмы Wurth Elektronik).
В каталоге фирмы STM на 2008 г. представлены микросхемы для ИУ двух групп: усилители в классе D и цифровые усилители, выполненные по технологии DDX. К усилителям в классе D относятся TDA7480-7482, TDA7490 и TDA7491. В группу цифровых усилителей входят STA500/505/506/508/515-518.

Микросхема TDA7490 (2005 г.) является сдвоенным ИУ в классе D, выполнена в корпусе Flexiwatt 25 и предназначена для использования в телевизорах и малогабаритной звуковой аппаратуре. Структура и типовая схема, включения в стереорежиме приведена на рисунке 7. В состав микросхемы входят предварительные аналоговые усилители (PREAMPLEFIER1/2), генераторы треугольного напряжения (INTEGRATOR 1 /2), ШИМ-модуляторы (PWM-stagel/2) и задающий генератор (OSC). Основные параметры микросхемы приведены в таблице.

 

Рис. 7. Типовое включение микросхем STA505, STA5tlfi, STA508 с пднополярным питанием

 

Микросхемы STA505 (2003 г.) STA506 (2004 г.) и STA508 (2006 г.) являются счетверёнными мостовыми усилителями (QUAD POWER HALI BRIDGE), выполненными по технологии Multipower BCD Technology в кор пусах PowerS036. На базе микросхем возможно построение высокоэффективных двухканальных ИУ по технологии DDX. Структура и схема включения в двойном мостовом режиме одинаковы для всех трёх микросхем и показаны на рисунке 8. В состав микросхем входят четыре оконечных ключевых каскада на комплементарных МОП-транзисторах (Complementary DMOS), формирователи импульсов с дифференциальными выходами (М2 -М5, М14 - М17), стабилизаторы напряжения (REGULATORS), блок защиты и логические схемы (PROTECTIONS LOGIC).

 

Рис. 8. Типовое включение микросхем STA505/506/508


На входы IN 1 A, IN1 В, IN2A, IN2B подаются парафазные ШИМ-сигналы размахом около 0,6 В. Назначение логических функциональных выводов микросхемы: вывод 27 (FAULT), лог. 0 -включена защита от коротких замыканий и перегрева, лог. 1 - защита выключена; вывод 26 (TRI-STATE), лог. 0 - все выходы находятся в состоянии высокого выходного сопротивления, лог. 1 -штатный режим; вывод 25 (PWRDN), лог. 0 - состояние пониженного потребления тока, лог. 1 - штатный режим; вывод 28 (THWAR), лог. 0 - допустимая температура микросхемы до 130°С, лог. 1 - штатный режим; вывод 24 (CONFIG), лог. 0 - штатный режим, лог. 1 - OUTlA/2A=OUTlB/2B, если IN 1 A/IN2A=IN l B/IN2B. Во всех случаях уровню лог.   1 соответствует 3,3 В.

Основные    параметры    микросхем STA505/506/508 приведены в таблице.


Литература
1.
2.
3- Direct Digital Amplification,               

 

Юрий Петропавловский (Ростовская обл.)

Современная электроника, №7, 2009г







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.