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

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