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 styczeń 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio styczeń 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje styczeń 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna styczeń 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich styczeń 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów