Scalone wzmacniacze akustyczne. Wzmacniacze słuchawkowe i klasy D. cz. 3

Scalone wzmacniacze akustyczne. Wzmacniacze słuchawkowe i klasy D. cz. 3
Pobierz PDF Download icon
Scalone wzmacniacze mocy używane we wzmacniaczach słuchawkowych wysokiej klasy już były opisywane w pierwszej części artykułu. Również wiele wzmacniaczy małej mocy jest przystosowanych do podłączenia słuchawek. Teraz zajmiemy się wzmacniaczami słuchawkowymi o dobrych parametrach, ale przeznaczonymi do sprzętu przenośnego: telefonów komórkowych, odtwarzaczy MP3, MP4, itp. Takie wzmacniacze muszą charakteryzować się niskim napięciem zasilania, bo są przystosowane do zasilania bateryjnego, wysoką sprawnością i małymi wymiarami.

111ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2010 Wzmacniacze słuchawkowe i klasy D W  tab.? 8 pokazano zestawienie oferty firmy National Semiconductor, a na rys. 12 pokazano schemat blokowy wzmacniacza LM48860. Mimo pojedynczego zasilania i konfiguracji SE, obciążenie podłączane jest bez kondensatora separującego składową sta- łą. Normalnie w takich układach na wyjściu wzmacniacza jest napięcie stałe równe poło- Scalone wzmacniacze akustyczne (3) Wzmacniacze słuchawkowe i klasy D Scalone wzmacniacze mocy używane we wzmacniaczach słuchawkowych wysokiej klasy już były opisywane w  pierwszej części artykułu. Również wiele wzmacniaczy małej mocy jest przystosowanych do podłączenia słuchawek. Teraz zajmiemy się wzmacniaczami słuchawkowymi o  dobrych parametrach, ale przeznaczonymi do sprzętu przenośnego: telefonów komórkowych, odtwarzaczy MP3, MP4, itp. Takie wzmacniacze muszą charakteryzować się niskim napięciem zasilania, bo są przystosowane do zasilania bateryjnego, wysoką sprawnością i  małymi wymiarami. wie napięcia zasilania, jednak w  ten układ wbudowano przetwornicę charge pump wy- twarzającą ujemne napięcie. Dzięki temu wzmacniacze mocy są zasilane symetrycz- nym napięciem i na wyjściu nie ma napięcia stałego. Brak kondensatorów o zwykle dość dużej pojemności i  wymiarach umożliwia miniaturyzację układu wzmacniacza. LM48860 może być zasilany maksymal- nym napięciem 6 V, ale typowe napięcie to 3 V. Dla tego zasilania moc wyjściowa wynosi 40 mW przy THD+N=1%, f?1 kHz i obciąże- niu 16 V. Zniekształcenia THD+N=0,025% mierzone przy mocy 20  mW, obciążeniu 16? V i  f=1  kHz, ale dla obciążenia 32  V THD+N wynosi 0,014%. Dla układu zasi- lanego napięciem 3  V parametry są bardzo dobre. Podobną budowę ma wzmacniacz LM4982 (rys.  13), ale dodatkowo jest wy- posażony w cyfrowy regulator poziomu sy- gnału sterowany magistralą I2 C. Układ jest wzmacniaczem słuchawkowym z  rodziny Boomer. LM4982 może automatycznie prze- łączać się w konfigurację mono/stereo, zależ- nie od stanu wejścia HPS. Wejście HPS jest podłączane do styku złącza słuchawkowego i jeżeli włożony jest wtyk słuchawek stereo, Tab.  8. Wzmacniacze słuchawkowe firmy National Semiconductor Układ Moc 16 V 1% THD [W] Moc 32 V 1% THD [W] Moc 8 V 10% THD [W] Moc 16 V 10% THD [W] Moc 32 V 10% THD [W] THD [%] PSSR [dB] SNR [dB] kanały LM4881 0,15 0,092 0,3 0,2 0,11 0,02 50 100 2 LM4480 0,16 0,085 0,325 0,2 0,11 0,02 50 2 LM4809 0,13 0,08 0,18 0,16 0,09 0,03 70 107 2 LM4810 0,13 0,08 0,18 0,16 0,09 0,03 70 107 2 LM4811 0,13 0,18 0,16 0,03 60 106 2 LM4916 0,055 0,1 0,7 0,2 66 2 LM48820 0,095 0,080 0,007 80 100 2 LM48821 0,093 0,079 0,011 82 100 2 LM48822 0,035 0,040 0,04 110 100 2 LM48860 0,04 0,05 0,014 80 105 2 LM48861 0,012 0,013 0,04 83 102 2 LM4808 0,105 0,07 0,15 0,09 0,05 66 105 2 LM4911 0,145 0,085 0,15 0,11 65 110 2 LM4915 0,25 0,12 0,1 65 1 LM4910 0,062 0,035 0,08 0,048 0,3 65 97 2 LM4917 0,097 0,082 0,108 0,108 0,02 70 100 2 LM4920 0,08 0,065 0,03 70 100 2 LM4921 0,05 0,03 70 100 2 LM4924 0,04 0,01 66 2 LM4980 0,042 0,028 0,02 90 2 LM4982 0,047 0,051 66 100 2 LM4985 0,135 0,08 0,08 77 2 Wybór konstruktora 112 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2010 Wybór konstruktora Innym przykładem układu o  bardzo do- brych parametrach i prostego w aplikacji jest TPA152. Przy zasilaniu napięciem 5  V i  obcią- żeniu 32  V moc wyjściowa wynosi 75  mW, a  THD<=0,03%. Dla mocy wyjściowej 75  mW THD+N=0,2% w  całym paśmie 20 Hz...20 kHz. Moim zdaniem są to bardzo dobre parametry. TPA6101A2 jest wzmacnia- czem specjalnie zaprojektowanym do zasila- nia bateryjnego. Przy obciążeniu 16  V i  na- pięciu zasilania 3,3 V moc wyjściowa wynosi 50  mW. Dla tego samego obciążenia i  mocy 40 mW THD+N jest na poziomie 0,08% przy f=1 kHz, a dla całego pasma THD+N jest nie większe niż 0,2%. Układ ma wejście !SHUT- DOWN wprowadzające układ w stan wyłącze- nia. W trybie tym układ pobiera tylko 50 nA. Wzmacniacze klasy D W porównaniu z klasą AB wzmacniacze klasy D są bardziej rozbudowane, ale idea ich działania nie jest zbyt skomplikowana. Analogowy sygnał wejściowy jest konwer- towany na sygnał prostokątny o zmiennym współczynniku wypełnienia, czyli sygnał PWM. Ten sygnał jest wzmacniany, a potem ponownie zamieniany na sygnału analogo- wego przez wyjściowy filtr dolnoprzepusto- wy LC. W klasycznym układzie wzmacnia- cza klasy D do konwersji sygnał analogowy na sygnał PWM wykorzystuje się porówny- wanie przez komparator sygnału analogo- wego i  z  sygnałem z  generatora przebiegu trójkątnego (rys. 16). Do pewnego czasu trudno było uzy- skać zadowalająco niskie zniekształcenia harmoniczne i  poziom szumów (THD+N), co wpływało na niezbyt dobrą jakość dźwię- ku. W nowych układach ten problem został przynajmniej częściowo pokonany i klasa D zdobywa sobie zwolenników wśród bardziej wymagających użytkowników. Aplikacja wzmacniacza klasy D jest trud- niejsza w  porównaniu z  klasą AB. Wymaga stosowania dobrej jakości dławików i konden- satorów w układzie wyjściowego filtra dolno- przepustowego. Trzeba sobie zdawać sprawę, że sygnał wyjściowy ma częstotliwość od 250 kHz do 1,5 MHz i bardzo krótkie czasy narastania. Dlatego zewnętrzne filtrowanie dolnoprzepustowe filtrem LC może być źró- dłem zakłóceń EMI i  konieczne jest bardzo staranne projektowanie płytek drukowanych. Klasa D ma jedną niezaprzeczalną zaletę: bardzo dużą sprawność energetyczną. Moż- na budować wzmacniacze o sporych mocach bez kosztownych zasilaczy i radiatorów. Dla- tego obserwuje się ciągły rozwój scalonych wzmacniaczy mocy klasy D. Jednym ze spo- sobów uproszczenia układu, poprawienia parametrów i  znaczącej redukcji zakłóceń EMI jest zastosowanie nowej topologii nie- wymagającej zewnętrznego filtru LC. Ideę takiego rozwiązania pokazano na rys. 17. Rys. 13. Wzmacniacz LM4982 Rys. 12. Schemat blokowy układu LM48860 Rys. 14. Wzmacniacz TPA152 wzmacniacz pracuje w  konfiguracji stereo, a po włożeniu wtyku słuchawek mono prze- łącza się na konfigurację mono. Maksymalna moc wzmacniacza to 51 mW mierzone przy THD+N=1% , f=1 kHz i Robc=32 V. Typo- wo napięcie zasilania wynosi 3,3 V. Również firma Texas Instruments ma w swojej ofercie wzmacniacze słuchawkowe. Wymieniono je w tab. 9. Jest tu opisywany już wcześniej wzmacniacz TPA6120A2. Wy- różnia się od pozostałych dużą mocą jak na wzmacniacz słuchawkowy (1,5 W na kanał). 113ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2010 Wzmacniacze słuchawkowe i klasy D Tab.  9. Wzmacniacze słuchawkowe Firmy Texas Instruments U Kanały Moc wyj- ściowa [W] Obciążenie [V] Zasilanie [V] (połowa mocy maks.) THD 1 kHz (%) Iq na kanał (mA) ISD (uA) PSSR (dB) opis TPA152 2 0,075 32 4,5-5,5 0,007 2,8 81 Wzmacniacz słuchawkowy Hi-Fi stereo TPA4411 2 0,080 16 1,8-4,5 0,05 3,7 0,1 80 Wzmacniacz słuchawkowy 80 mW Direct Path TPA6100 A2 2 0,05 16 1,6-3,6 0,1 0,8 0,05 72 Wzmacniacz słuchawkowy 50 mW, niskie napięcie zasilania TPA6101 A2 2 0,05 16 1,6-3,6 0,1 0,32 0,05 72 Wzmacniacz słuchawkowy 50 mW, niskie napięcie zasilania, stałe wzmocnie- nie (2 dB) TPA6102 A2 2 0,05 16 1,6-3,6 0,1 0,32 0,05 72 Wzmacniacz słuchawkowy 50 mW, niskie napięcie zasilania, stałe wzmocnie- nie (14 dB) TPA6110 A2 2 0,15 8 2,5-5,5 0,25 0,75 10 83 Wzmacniacz słuchawkowy 150 mW, wyprowadzenia kompatybilne z LM4881 TPA6111 A2 2 0,15 8 2,5-5,5 0,25 0,75 1 83 Wzmacniacz słuchawkowy 150 mW, wyprowadzenia kompatybilne z LM4880 i LM4881 TPA6112 A2 2 0,15 8 2,5-5,5 0,25 0,75 10 83 Wzmacniacz słuchawkowy 150 mW z wejściem symetrycznym TPA6120 A2 2 1,5 32 10-30 11,5 75 Wzmacniacz słuchawkowy wysokiej jakości TPA6130A2 2 0,138 16 2,5-5,5 0,008 2 1 109 Wzmacniacz słuchawkowy 138 mW z regulatorem poziomu interfejsem I2 C Rys. 15. Wzmacniacz TPA6101A2: a) schemat blokowy wzmacniacza, b) sygnał z wyjścia przed filtrowaniem dolnoprzepustowym Rys. 16. Zasada działania wzmacniacza klasy D Rys. 17. Wzmacniacz klasy D bez zewnętrznego filtru LC: a) sterownik z układami DIR1703 i TAS3004, b) moduł procesora/konwertera z układem TAS5010 i wzmacniaczami TAS5100 Tor sygnałowy jest podzielony na 2 sy- metryczne części i  ma 2 komparatory. Sy- gnał audio o  odwróconych o  180° fazach (sygnał symetryczny) jest porównywany w  komparatorach z  sygnałem piłozębnym. a) a) b) b) 114 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2010 Wybór konstruktora Tab.  10. Wzmacniacze rodziny Pure Path firmy Texas Instruments. Układ Kanały PWY [W] RLMIN [V] THD [%] 1 kHz, 50% PWY Dyna- mika [dB] Fs Min kHz Fs Max kHz Zasilanie układów cyfro- wych (V) Zasilanie ukła- dów analog. (V) Zasilanie ukła- dów mocy (V) opis TAS 5162 2 200 3 >0,05 110 192 432 3-3,6 10,8-13,2 0-50 Stereo 200 W TAS 5176 2-6 100 3 >0,05 109 192 432 3-3,6 10,8-13,2 40 Stereo 100 W Kanały 5,1 TAS 5182 2 100 6 0,15 192 432 3-3,6 9-12,6 0-42 Stereo 100 W TAS 5186A 6 30 3 0,07 105 192 432 3-3,6 10,8-13,2 0-40 210 W Kanały 5,1 TAS 5261 1 315 >0,05 110 192 432 3-3,6 10,8-13,2 0-52,5 Mono 315 W TAS 5342 2-4 100 2 0,06 110 192 432 3-3,6 10,8-13,2 0-34 Stereo 100 W TAS 5342A 2-4 100 2 0,06 110 192 432 3-3,6 10,8-13,2 0-34 Stereo 100 W TAS 5342L 2-4 100 2 0,1 110 192 432 3-3,6 10,8-13,2 0-34 Stereo 100 W TAS 5342LA 2-4 100 2 0,1 110 192 432 3-3,6 10,8-13,2 0-34 Stereo 100 W TAS 5352 2-4 125 2 0,06 110 192 432 3-3,6 10,8-13,2 0-37 Stereo 125 W TAS 5102 1-4 20 4 <0,1 105 192 432 3-3,6 8-23 Stereo 20 W TAS 5102 1-4 15 4 <0,1 105 192 432 3-3,6 8-23 Stereo 15 W TAS 5111A 1 70 4 0,025 95 192 432 3-3,6 16-30,5 0-30,5 Mono 70 W TAS 5112A 2 50 6 0,025 95 192 432 3-3,6 16-30,5 0-30,5 Stereo 50 W TAS 5121 1 100 4 0,05 95 192 432 3-3,6 10,8-13,2 0-32 Mono 100 W TAS 5121I 1 100 4 0,09 95 192 432 3-3,6 10,8-13,2 0-32 Mono 100 W TAS 5122 2 30 6 0,05 95 192 432 3-3,6 10,8-13,2 0-32 Stereo 50 W TAS 5132 2 20 6 0,03 106 192 432 3-3,6 10,8-13,2 0-19 Stereo 20 W TAS 5142 2 100 2 0,1 110 192 432 3-3,6 10,8-13,2 0-34 Stereo 100 W TAS 5152 2 125 2 0,1 110 192 432 3-3,6 10,8- 13,2 0-37 Stereo 125 W TAS 5352A 2-4 125 2 0,06 110 192 432 3-3,6 10,8-13,2 0-37 Stereo 125 W TAS 5601 2-4 20 2 <0,01 96 200 400 3-4,2 10 26 Stereo 20 W TAS 5601 2-4 20 2 <0,01 96 200 400 3-4,2 10 26 Stereo 20 W TAS 5516 1-4 300 8 0,04 110 192 432 3-3,6 10,8-13,2 0-50 Stereo 160 W Mono 300 W TAS 5531 1-4 600 4 0,04 110 192 432 3-3,6 10,8-13,2 0-50 Stereo 300 W Mono 600 W Kiedy wyjście obu komparatorów jest w sta- nie niskim, to wyjścia obu driverów OUT? i  OUT+ są w  stanie wysokim. Wtedy też wyjście bramki NOR przechodzi stan wyso- ki, ale to przejście jest opóźniane przez stałą czasową ton określoną wartością elemen- tów Ron i Con. Kiedy po tym opóźnieniu na wyjściu bramki ustali się stan wysoki, wte- dy oba klucze S1 i S2 zostaną zwarte i oba wyjścia OUT? i OUT+ przejdą w stan niski. Stan wysoki na wyjściach driverów jest wy- muszany tylko na czas określony przez stałą określoną przez Ron i Con, kiedy sygnał na wejściu ma amplitudę zerową. Przy nieze- rowych wartościach oba komparatory są wyzwalane w różnych momentach. Kombi- nacja stanów na wyjściu komparatorów po- woduje, że na jednym z wyjść stan aktywny będzie trwał przez czas zależny od poziomu sygnału, a na drugim czas równy ton. Takie rozwiązanie umożliwia dołącze- nie głośnika bezpośrednio do wyjść wzmac- niacza i  rezygnację z  zewnętrznego filtru LC. Wzmacniacze klasy D mają jeszcze jed- ną zaletę. Możliwe jest zbudowanie całko- wicie cyfrowego toru: od cyfrowego źródła sygnału (np. z  płyty CD) do końcowego wzmacniacza klasy D. Takie rozwiązania oferuje na przykład Texas Instruments. Swego czasu wykonałem taki kompletny tor składający się z odbiornika S/PDIF DIR1703, cyfrowego procesora dźwięku TAS3004, procesora/konwertera PCM/PWM TAS5010 i  wzmacniaczy klasy D TAS5100. Wzmac- niacz był opisany w ?Elektronice Praktycz- nej? 06 i 07/2006. Układy zastosowane w  tym rozwiąza- niu w większości nie są już produkowane, ale Texas Instruments oferuje nowe, bar- dziej dopracowane układu pozwalające na zbudowanie kompletnego cyfrowego toru audio. Tomasz Jabłoński EP tomasz.jablonski@ep.com.pl

Artykuł ukazał się w
Luty 2010
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik wrzesień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio wrzesień 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje wrzesień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna wrzesień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich sierpień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów