Scalone wzmacniacze akustyczne. Wzmacniacze słuchawkowe i klasy D. cz. 4

Scalone wzmacniacze akustyczne. Wzmacniacze słuchawkowe i klasy D. cz. 4
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 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
Artykuł ukazał się w
Maj 2010
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik kwiecień 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio kwiecień - maj 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje kwiecień 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna kwiecień 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich maj 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów