Scalone wzmacniacze akustyczne. Wzmacniacze słuchawkowe i klasy D. cz. 4
Sobota, 01 Maj 2010
Scalone wzmacniacze mocy używane we wzmacniaczach
słuchawkowych wysokiej klasy już były opisywane w pierwszej
części artykułu. Również wiele wzmacniaczy małej mocy
opisywanych wyżej 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.
108 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010
Wybór konstruktora
Dodatkowe materiały
na CD i FTP
Scalone wzmacniacze
akustyczne (4)
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
opisywanych wyżej 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
musza charakteryzować się niskim napięciem zasilania, bo są
przystosowane do zasilania bateryjnego, wysoką sprawnością
i małymi wymiarami.
Same wzmacniacze klasy D producent
dzieli na 3 kategorie: wzmacniacze mocy
z wejściem PWM (takie jak układ TAS 5100
z rozwiązania pokazanego wyżej), wzmac-
niacze mocy klasy D z wejściem I2
S i kla-
syczne wzmacniacze klasy D z wejściem
analogowym. W tab. 10 pokazano zestawie-
nie wzmacniaczy z wejściem PWM (rodzina
Pure Path).
O układzie TAS5176 wspominałem przy
okazji wzmacniaczy wielokanałowych. In-
nym przykładem może być ?najsilniejszy?
wzmacniacz tej rodziny TAS5631 o mocy
600 W. Wzmacniacz o tak wielkiej mocy jest
umieszczony w obudowie SMD pokazanej
na fot. 19. Na wierzchu obudowy umieszczo-
na jest metalowa płytka służąca do połącze-
nia z radiatorem.
TAS55631 jest stereofonicznym wzmac-
niaczem o mocy 2×300 W w konfiguracji
BTL lub 4×150 W w konfiguracji SE. Ste-
reofoniczne kanały można ponownie połą-
czyć mostkowo w konfiguracji BTL i uzy-
skać moc 600 W mono dla obciążenia 2 V,
THD=10% i napięcia zasilania +50 V. Jak
już wspomniałem, wzmacniacze rodziny
Pure Path TM wymagają na wejściu sygna-
łu PWM i muszą współpracować ze specja-
lizowanymi procesorami TI, na przykład
TAS5086. Na rys. 20 pokazano schemat
blokowy aplikacji wzmacniacza w wersji
stereofonicznej.
Producent deklaruje dla mocy wyjścio-
wej Po=1 W THD+N = 0,03%. To bardzo do-
bry wynik dla wzmacniacza klasy D. Układ
ma wbudowane wszelkie niezbędne zabez-
Fot. 19. Obudowa 600 watowego
wzmacniacza TAS5361pieczenia przed przegrzaniem, zwarciem na
wyjściu i przepięciem. Zadziałanie zabez-
pieczenia jest sygnalizowane zewnętrznym
sygnałem o błędzie (error report).
Osobna grupę wzmacniaczy produko-
wanych przez Texas Instruments stanowią
wzmacniacze klasy D z wejściem I2
S. Przy-
kładem takiego wzmacniacza jest układ
TAS5716. Schemat blokowy tego ciekawego
układu został pokazany na rys. 21. Sygnał
wejściowy ma format I2
S i może być poda-
wany na jedno z wejść danych SDIN1, lub
SDIN2 lub na oba wejścia i dalej miksowa-
ny. Niezbędne są sygnały zegarowe interfej-
su PCM: MCLK, SCLK i LRCK. W układzie
miksera jest wydzielany (filtrowany z sumy
kanałów Li R ) sygnał kanału tonów niskich.
Charakterystyka częstotliwościowa kanałów
lewego i prawego może być kształtowana
w programowanych 7-stopniowych equali-
zerach.
Każdy z kanałów ma swój oddzielny
regulator poziomu sygnału (volume). Po re-
gulacji poziomu sygnał jest poddawany pro-
gramowanej kompresji sygnału w układzie
kompresora dynamiki DRC. Uformowane
sygnały są upsamplowane w bloku kon-
wertera częstotliwości próbkowania SRC,
a następnie filtrowane w celu przesunięcia
sygnału szumów poza częstotliwość pasma
słyszalnego (noise shaper). Kanały podsta-
wowe L i R mają swoje drivery i można do
nich podłączać głośniki (przez filtr dolno-
przepustowy LC). Dla kanału subbasowego
wyprowadzone zostały sygnały PWM i ko-
nieczny jest dodatkowy układ wzmacniacza
z serii Pure Path z wejściem PWM. Wzmac-
niacz do działania potrzebuje zewnętrznego
sterownika mikroprocesorowego zapisujące-
go wewnętrzne rejestry wzmacniacza przez
magistralę I2
C. Moc wyjściowa wzmacniacza
dla każdego z kanałów wynosi 20 W przy
THD=10%, f=1 kHz, Robc=8 V i napięciu
zasilania 18 V. Dla 10 W i obciążenia 8 V
THD+N =0,05%.
Wzmacniacze klasy D z wejściem
analogowym
Wzmacniacze z rodziny Pure Path są bar-
dzo atrakcyjne, ale chyba najczęściej spotykane
i stosowane są wzmacniacze klasy D z wejściem
analogowym. Texas Instruments ma w? swojej
Tab. 11. Programowanie wzmocnienia TPA2000D2
GAIN1 GAIN0
Wzmocnienie (dB)
Impedancja wejściowa
(kV)
typowo typowo
0 0 8 104
0 1 12 74
1 0 17,5 44
1 1 23,5 24
109ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010
Wzmacniacze słuchawkowe i klasy D
Rys. 21. Schemat blokowy układu TAS5716
Rys. 20. Blokowa aplikacja układu TAS5361
110 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010
Wybór konstruktora
Rys. 22. Schemat blokowy wzmacniacza TPA2000D2
Rys. 23. Schemat blokowy układu TS4999
ofercie 53 typy takich wzmacniaczy o mocy od
kilku do 600 W. Przykładem wzmacniacza kla-
sy D z wejściem analogowym może być układ
TPA2000D2. Jest zaprojektowany do działania
bez zewnętrznego filtru LC i zasilany napię-
ciem +5 V. Schemat blokowy został pokazany
na rys. 22. Wejścia GAIN1 i GAIN0 programują
wzmocnienia wzmacniacza (tab. 11).
Moc wyjściowa nie jest zbyt duża, bo
dla obciążenia 3 V wynosi 2 W na kanał. Dla
mocy wyjściowej 1 W, napięcie zasilania 5 V
i pasmo f=20 Hz...20 kHz THD+N=0,5. Przy
obciążeniu 8 V deklarowana sprawność wy-
nosi od 75 do 85%.
Wzmacniacze klasy D są wytwarzane przez
wiele firm. Jedną z nich jest ST. Na stronie
http://www.st.com/stonline/stappl/st/com/selec-
tor/index.html#querycriteria=RNP139=983
można znaleźć zestawienie produkowanych
wzmacniaczy. Przykładem ciekawej konstrukcji
może być układ TS4999 z wbudowanym efek-
tem 3D. Podobnie jak poprzednio opisywany
TPA2000D, tak i ten układ jest przystosowany
do pracy bez filtra LC na wyjściu i zasilania na-
pięciem 5 V, ale może też pracować zasilany na-
pięciem 2,4...5,5 V. Tak niskie napięcie zasilania
i obudowa BGA wskazują na obszar zastosowań
w miniaturowych urządzeniach bateryjnych,
na przykład w telefonach komórkowych, od-
twarzaczach MP3 itp. Schemat blokowy układu
pokazano na rys. 23.
Każdy z kanałów można wyłączyć
(standby), wymuszając niskie stany logiczne
na wyprowadzeniach STBYL i STBYR. Efekt
3D można również wyłączyć niskim stanem
logicznym na wejściu 3D. Wejściami G0 i G1
programuje się żądane wzmocnienie w za-
kresie od 3,5 do 12 dB. Moc wyjściowa jest
równa 2,2 W na kanał przy Robc=4 V, napię-
ciu zasilania 5 V i THD=1%.
111ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010
Wzmacniacze słuchawkowe i klasy D
Rys. 24. Schemat blokowy jednego kanału układu TDA7492
Rys. 25. Schemat ideowy filtru LC dla jednego kanału TDA7492
Kolejny układ TDA7492 produkowany
przez ST jest wzmacniaczem o maksymalnej
mocy 2×50 W zaprojektowanym do zastoso-
wania w telewizorach LCD. Tę moc można
uzyskać przy zasilaniu napięciem 26 V, ob-
ciążeniu 6 V i THD=10%. Schemat blokowy
jednego kanału pokazano na rys. 24. Wzmac-
niacz pracuje w konfiguracji mostkowej BTL
i wymaga wyjściowego filtra LC (rys. 25).
Sygnał wejściowy może być symetryczny.
Wzmocnienie układu jest programowane
stanami logicznymi na wejściach Gain0
i Gain1 w zakresie 21,5...33,6 dB.
Scalone wzmacniacze klasy D produku-
je również firma NXP. Zestawienie wszyst-
kich scalonych wzmacniaczy klasy D znaj-
duje się na stronie http://www.nxp.com/#/
homepage/cb=[t=p,p=/71076/50219]|p-
p=[t=pfp,i=50219]. Przykładowy układ
TDA8950 ma moc 2×150 W w układzie SE
lub 300 W w układzie mostkowym BTL. Na
rys. 26 pokazano jest schemat aplikacyjny
układu z filtrem dla wyjściowego układu
SE. Eliminacja składowej stałej nie jest ko-
nieczna, bo układ jest zasilany napięciem
symetrycznym z zakresu ?13...37 V. Tak jak
większość układów dużej mocy, TDA8950
ma wbudowanych szereg zabezpieczeń
chroniących go przed zniszczeniem. Maksy-
malna moc 150 W na kanał jest mierzona dla
THD+N=10%, Robc=4 V i napięcia zasila-
nia ?37 V. Dla mocy 1 W THD+N=0,05%
Klasa H ? wzmacniacze firmy
Tripath
Omawiając wzmacniacze klasy D, nie
sposób nie wspomnieć o legendarnych już
wzmacniaczach firmy Tripath. Firma opra-
cowała i opatentowała własne opracowanie
wzmacniaczy o zasadzie działania bardzo po-
dobnej do klasy D. Od klasy D różni je sposób
sterowania driverów mocy. W klasycznym
wzmacniaczu klasy D sygnał PWM ma stałą
częstotliwość, a zmienia się tylko współczyn-
nik wypełnienia. W wzmacniaczach firmy
Tripath stopień sterujący jest bardzo rozbu-
dowany. Jego działanie jest skomplikowane
i można uznać, że sterowaniem zajmuje się
specjalizowany procesor DSP. Sygnał ste-
rujący nie tylko ma zmienny współczynnik
wypełnienia, ale też zmienia się jego często-
tliwość. Różnice w sterowaniu są tak duże,
że firma Tripath nazwała swoje rozwiązanie
klasą T wzmacniaczy mocy.
Zastosowanie rozbudowanego sterowni-
ka umożliwiło zaimplementowanie innych
funkcji. Uważa się, że sterownik ma umie-
jętność korygowania rozrzutu parametrów
tranzystorów drivera wyjściowego przez od-
powiednie modyfikowanie sygnału sterujące-
go. Wynikiem tych zabiegów są bardzo dobre
parametry uzyskiwane przez wzmacniacze
Tripatha.
Rzeczywiście wzmacniacze klasy T były
typowane na następców wysokiej klasy wzmac- Fot. 27. Moduł wzmacniacza z układem TA2020 firmy 41hz
112 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010
Wybór konstruktora
Tab. 12. zestawienie wzmacniaczy firmy Tripath
Typ
Moc
wyjściowa
(W)
Napięcie
zasilania
(V)
THD+N
(%)
Sprawność
(%)
Zakres
zasilania
(V)
Obudowa Zastosowania
Wzmacniacze
zintegrowane
TA2024B
2×15
2×10
12,0
12,0
10,0
0,045
88 8,5?13,2
PSOP
32pin
Multimedia
TV, DVD
TA2020
2×20
2×10
13,5
13,5
5,00
0,03
88 8,5?14,6
SSIP
32pin
Multimedia
TV, DVD
TA2020B
2×25
2×15
13,5
13,5
5,00
0,03
88
8,5?
14,6
PSOP
32pin
Multimedia
TV, DVD
TA2022
2×100
2×90
2×80
?31
?31
?31
1,00
0,10
0,03
92 ?12,0??36
SSIP
32pin
TV, DVD
nagłośnienie
TA2041
4×50
4×30
20,0
20,0
10,0
0,02
85 9,5?13,2
SSIP
32pin
TV, DVD
nagłośnienie
Sterowniki
TA3020
2×300
2×220
2×150
?45
?45
?45
10,0
1,00
0,03
95 ?15??65,0 48pin DIP
Wzmacniacze dużej mocy,
subwoofer
TA0105
2×500
2×500
?120
?85
0,10
0,10
85 9,5?13,2 Moduł 38pin Wzmacniacze audio, subwoofer
Chipset
TK2019
2×20
2×15
2×11
24,0
24,0
24,0
10,0
1,0
0,03
92 8,0?25,0
28pin SOP
8pin SOIC
DVD
Małe systemy nagłośnieniowe
TK2050
2×60 (8V)
2×50 (8V)
2×30 (8V)
30,0
30,0
30,0
10,0
3,0
0,01
92 10,0?36,0
28pin SOP
36pin PSOP
DVD
Małe systemy nagłośnieniowe
TK2051
2×60 (8V)
2×50 (8V)
2×30 (8V)
30,0
30,0
30,0
10,0
3,0
0,01
92 10,0?36,0
28pin SOP
36pin PSOP
DVD
Małe systemy nagłośnieniowe
Car audio
TK2070
2×70
2×55
2×45
24,0
24,0
24,0
10,0
1,00
0,02
92 8,0?25
28pin SOP
8pin SOIC
DVD
Car audio
TK2150
2×200 (6V)
2×155 (6V)
2×100 (6V)
?45
?5
?45
10,0
1,00
0,02
93
?15
?60
28pin SOP
64pin LQFP
Wzmacniacze dużej mocy
TK2350
2×300
2×220
2×150
?45
?5
?45
10,0
1,00
0,03
95
?15
?65
28pin SOP
64pin LQFP
Wzmacniacze dużej mocy
Rys. 26. Schemat aplikacyjny układu TDA8950
niaczy klasy AB. Niestety w 2007 roku firma
Tripath zbankrutowała. Strona firmowa www.
tripath.com nie istnieje. W czasach świetno-
ści wielu znanych producentów sprzętu po-
wszechnego użytku (na przykład Sony, Panaso-
nic, Blaupunkt) zaczęło stosować wzmacniacze
klasy T. Teraz w Internecie można jeszcze zna-
leźć dokumentacje samych scalonych wzmac-
niaczy lub sterowników wzmacniaczy. Moż-
na też kupić układy scalone i gotowe moduły
wzmacniaczy, ale nowe konstrukcje układów
scalonych nie powstają.
W tab. 12 zestawiono układóy firmy Tri-
path, a na rys. 27 pokazano schemat aplikacyj-
ny układu TA2020 o mocy wyjściowej 2×20 W.
Przy zasilaniu 13,5 V, obciążeniu 4 V i znie-
kształceniach THD+N=10%, moc wyjścio-
wa wynosi 22 W. Przy obciążeniu 4 V i mocy
wyjściowej 10 W zniekształcenia THD+N są
na poziomie 0,03%. Sprawność wzmacniacza
sięga 88%.
Tomasz Jabłoński EP
tomasz.jablonski@ep.com.pl
113ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010
Wzmacniacze słuchawkowe i klasy D
Rys. 28. Schemat aplikacyjny zintegrowanego wzmacniacza TA2020
R E K L A M A
Zobacz więcej w kategorii Wybór konstruktora