Scalone wzmacniacze akustyczne cz.1.

Scalone wzmacniacze akustyczne cz.1.
Pobierz PDF Download icon
Prędzej czy później każdy elektronik motywowany różnymi powodami konstruuje wzmacniacz małej częstotliwości. Dawniej wiadomo było, że takie urządzenie musi być zbudowane z elementów dyskretnych, z lampową lub tranzystorową końcówką mocy. Pojawienie się układów scalonych znacznie uprościło konstrukcję wzmacniacza, ale jednocześnie ogromny wybór może przyprawić o zawrót głowy. Współcześnie w torze audio używane są nawet mikroprocesory. Dlatego też zdecydowaliśmy się podjąć ten temat i przybliżyć rozwiązania dostępne na rynku. Cykl składa się z dwóch części. W części pierwszej opisujemy układy wysokiej jakości scalonych wzmacniaczy klasy AB, natomiast w części drugiej zajmiemy się wzmacniaczami klasy D, T i słuchawkowymi.
66 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2009 wybór konstruktora nia harmoniczne sygnału, ale ma najmniejszą sprawność energetyczną (do 20%). W klasie B elementy czynne nie przewodzą prądu przy braku sygnału wejściowego. Po pojawieniu się sygnału przewodzą one na przemian dodat- nią i ujemna jego połówkę. Klasa B pozwala uzyskać dużą sprawność (do 60% przy mak- symalnej mocy wyjściowej), ale dla małych sygnałów wprowadzane są stosunkowo duże zniekształcenia, dlatego polaryzacja elementu czynnego w klasie AB jest tak dobrana, że dla małych sygnałów wejściowych wzmacniacz pracuje w klasie A, a dla większych w klasie B, łącząc w ten sposób zalety obu klas. Rozwój technologii układów scalonych umożliwił stosunkowo prostą implementację wzmacniaczy w klasie D. W takt analogowego sygnału wejściowego jest sterowany wyjścio- wy sygnał mocy PWM o  stosunkowo dużej (w porównaniu z sygnałem akustycznym) czę- stotliwości. Pasywny, dolnoprzepustowy filtr LC na wyjściu wzmacniacza przekształca sy- gnał PWM w sygnał analogowy. Nowoczesne wzmacniacze klasy D mają tak dobre parame- try, że ich wykorzystanie rozważają nawet au- diofile. Podstawową zaletą tych wzmacniaczy jest bardzo duża sprawność (do 95%). Dlatego są one chętnie stosowane w sprzęcie z zasi- laniem bateryjnym oraz w wielokanałowych końcówkach mocy kina domowego. Klasa D doczekała się różnie nazywanych odmian. Przykładem jest klasa T nazwana tak przez nieistniejąca już firmę Tripath. Dla zwiększenia mocy wyjściowej wzmacniacze klasy AB i klasy D można łą- czyć mostkowo. Takie połączenie jest nazy- wane BTL (Bridge Tied Load). Klasa H została zaprojektowana do wzmacniaczy, które mają ograniczenia na- pięcia zasilania, na przykład zasilane są z in- stalacji samochodowej. Dla mniejszych mocy wzmacniacz pracuje w klasie AB. Przy więk- szych wysterowaniach napięcie zasilania jest dynamicznie podnoszone ? wzmacniacz zasilany jest przez układ przypominającego diodowo-pojemnościowy powielacz napię- cia. Oprócz podwyższonej mocy wyjściowej, klasę H wzmacniaczy charakteryzuje rów- nież podwyższona sprawność. Lampowy, tranzystorowy czy scalony? Ujmując rzecz historycznie, pierwsze wzmacniacze lampowe, mimo sporego szu- Scalone wzmacniacze akustyczne (1) Prędzej czy później każdy elektronik motywowany różnymi powodami konstruuje wzmacniacz małej częstotliwości. Dawniej wiadomo było, że takie urządzenie musi być zbudowane z  elementów dyskretnych, z  lampową lub tranzystorową końcówką mocy. Pojawienie się układów scalonych znacznie uprościło konstrukcję wzmacniacza, ale jednocześnie ogromny wybór może przyprawić o  zawrót głowy. Współcześnie w  torze audio używane są nawet mikroprocesory. Dlatego też zdecydowaliśmy się podjąć ten temat i  przybliżyć rozwiązania dostępne na rynku. Cykl składa się z  dwóch części. W  części pierwszej opisujemy układy wysokiej jakości scalonych wzmacniaczy klasy AB, natomiast w  części drugiej zajmiemy się wzmacniaczami klasy D, T i  słuchawkowymi. dzo dobre parametry techniczne i  ewentu- alnie sposób realizacji w technice lampowej lub dyskretnej, tranzystorowej. W  tym seg- mencie wielkość, ciężar oraz cena, są zazwy- czaj kryteriami drugorzędnymi. Oczywiście, w  stereofonicznych i  wie- lokanałowych wzmacniaczach powszech- nego użytku dąży się do uzyskania dobrych parametrów, ale bardzo ważny jest stosunek cena/jakość, ponieważ te urządzenia są pro- dukowane masowo i  muszą znajdować się w zasięgu przeciętnych konsumentów, a ce- nie i parametrami odpowiadać ich gustom. W  ostatnim czasie bardzo się rozwinął segment urządzeń zasilanych bateryjnie, których elementami składowymi są między innymi wzmacniacze małej częstotliwości. Są to przede wszystkim telefony komórkowe oraz odtwarzacze MP3 i  MP4. Tu wymaga się uzyskania dużej sprawności przy niskim napięciu zasilania oraz tego, aby urządzenie było małe i lekkie. Do wyżej wymienionych można dodać jeszcze kilka mniej lub bardziej specyficz- nych zastosowań, na przykład wzmacniacze do sprzętu car audio. Wymaga się od nich sporej mocy wyjściowej przy stosunkowo ni- skim napięciu zasilania. Właściwości klas wzmacniaczy Wzmacniacze akustyczne mogą być wy- konywane w  różnej technologii i  topologii (klasach). Do niedawna najbardziej popularną klasą wzmacniaczy była klasa AB, lecz dziś trudno powiedzieć, czy nie jest nią klasa D. W klasie A elementy czynne (lampy, tranzy- story) przewodzą prąd przez cały czas, nie- zależnie od wartości sygnału wejściowego. Klasa A  zapewnia najmniejsze zniekształce- Wzmacniacze akustyczne, nazywane też wzmacniaczami małej częstotliwości, są układami, z  którymi zetknął się prawie każdy. Początkowo stosowane były głównie w kinach i odbiornikach radiowych. Rewolu- cja w muzyce rozrywkowej w latach 50-tych ubiegłego wieku wymusiła rozwój wzmac- niaczy gitarowych, a  potem wzmacniaczy do instrumentów klawiszowych. Jako kon- sekwencja powstawał rynek wymagających odbiorców chcących słuchać dobrej jakości nagrań muzycznych. Dodatkowym czynni- kiem było wynalezienie i wdrożenie stereo- fonii oraz wysokiej jakości nośnika ? słynne- go ?czarnego krążka? tj. płyty Long Play. Obecnie wzmacniacze akustyczne sto- sowane są w wielu urządzeniach, od odtwa- rzaczy MP3 do wielokanałowych systemów kina domowego, od prostych głośników ?komputerowych? do bajecznie drogich, wy- rafinowanych, zaawansowanych, stereofo- nicznych wzmacniaczy dla koneserów. Tak szeroki obszar zastosowań wymusza różne rozwiązania konstrukcyjne. Konstruktor dobierając układ scalonego wzmacniacza mocy musi rozważyć co naj- mniej kilka kryteriów: ? parametry techniczne: moc wyjściową, charakter obciążenia, dopuszczalne zniekształcenia, pasmo przenoszonych częstotliwości itd.; ? sposób realizacji: układ scalony, tranzy- story, lampy; ? rodzaj zasilania: bateryjne, sieciowe; ? wymagana sprawność wzmacniacza; ? wielkość i ciężar układu; ? cena lub stosunek cena/jakość. Dla wzmacniaczy z  segmentu audiofil- skiego pierwszorzędne znaczenie mają bar- 67ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2009 Scalone wzmacniacze akustyczne mu medialnego, są stosowane marginalnie i głównie przez entuzjastów. Największa ich zaleta tzw. lampowe brzmienie nie jest w sta- nie zrekompensować wielu wad: małej mocy wyjściowej, kosztownej budowy i  bardzo małej sprawności energetycznej, wynikającej z konieczności żarzenia lamp. Wzmacniacze te są również kłopotliwe w eksploatacji. De- likatne i  mocno nagrzane lampy wymagają od użytkownika większej uwagi niż w przy- padku konstrukcji opartych na półprzewod- nikach. Wzmacniacze tranzystorowe są stoso- wane szeroko głównie w sprzęcie powszech- nego użytku wysokiej i  średniej klasy oraz w  sprzęcie estradowym. Ich zaletami są możliwość uzyskania bardzo dobrych para- metrów i wysokiej mocy. Jako elementy wyj- ściowe stosowane są tranzystory bipolarne, tranzystory unipolarne MOS lub tranzystory IGBT. Wzmacniacze te budowane są głównie w klasie AB. Wzmacniacz akustyczny jest elementem, który daje się stosunkowo łatwo umieszczać w  strukturze układu scalonego. Scalone wzmacniacze mocy są bardzo łatwe w apli- kacji, mają bardzo dobre parametry i dlatego chętnie są szeroko stosowane Na rys.  1 przedstawiono aplikację wzmacniacza klasy AB typu LM3886. Żeby zbudować dobry wzmacniacz o mocy ciągłej ok. 60  W potrzeba tylko kilku elementów zewnętrznych! Układ ma wbudowane za- bezpieczenia chroniące wzmacniacz przed zwarciem na wyjściu, przed przepięciami i przegrzaniem. Do niedawna scalone wzmacniacze mocy były produkowane niemal wyłącznie w klasie AB, ale obecnie widać coraz więk- szą ekspansję wzmacniaczy impulsowych klasy D. Układy scalone do wzmacniaczy audio?lskich Prezentację scalonych wzmacniaczy aku- stycznych rozpoczniemy od układów preten- dujących do miana konstrukcji audiofilskich. Taki wzmacniacz musi się charakteryzować bardzo dobrymi parametrami elektrycznymi: duża mocą i niewielkimi zniekształceniami. Duża moc jest niezbędna do wysterowania kolumn z głośnikami o małej efektywności. Kolumny dla audiofilów są często zbudowa- ne z  użyciem takich głośników, a  przebieg impedancji w  funkcji częstotliwości pozo- stawia wiele do życzenia. Na rynku można znaleźć wiele zestawów głośnikowych okre- ślanych jako trudne do wysterowania, ale po zastosowaniu odpowiedniego wzmacniacza jakość uzyskiwanego brzmienia jest bardzo dobra. Przy dzisiejszym stanie techniki wy- twarzania układów scalonych wykonanie wzmacniacza o  mocy 100  W  i  bardzo do- brych parametrach elektrycznych nie stano- wi większego problemu. Jednak to nie wy- starczy w światku audiofilów. Tam potrzeba czegoś więcej niż parametrów ? potrzeba legendy. W  Polsce bardzo dobrze znane są dwa scalone wzmacniacze mające opinie kon- strukcji nadających się do zbudowania wzmacniacza bardzo wysokiej klasy. Są to TDA7294 firmy ST oraz układy z  rodziny Overture firmy National Semiconductor (tab. 1). TDA7294 dobrą opinię zawdzięcza mie- szanej technologii. Tranzystory końcowe są wykonane w  technologii MOS, a  reszta obwodów w technologii bipolarnej. Niektó- rzy uważają, że tranzystory MOS w stopniu końcowym powodują, że wzmacniacz brzmi ?bardziej lampowo? i pewnie stąd ogromna popularność tego układu. Oczywiście jego parametry są bardzo dobre, jednak przy- puszczalnie u  innych producentów można by było znaleźć podobny układ, ale nie tak ?legendarny?. Popularność układów z rodziny Overtu- re to klasyczny przykład kreowania audiofil- skiej legendy. Grupa ludzi skupiona wokół audiofilskich, internetowych grup dysku- syjnych stworzyła konstrukcję nazywaną Gainclone. W  dużej ogólności polegała ona na zastosowaniu dobrego, scalonego wzmac- niacza mocy i zaaplikowaniu go z wykorzy- staniem bardzo drogich biernych elementów zewnętrznych. Wzmacniacz był budowany metodą montażu przestrzennego (jak w ukła- dach lampowych) lub montowany na płyt- kach ze złoconymi punktami lutowniczymi. Oczywiście, całość musiała być lutowana cyną z dodatkiem srebra. Zbudowany zgod- nie z tymi i im podobnymi zasadami Gainc- rys. 1. schemat aplikacji układu LM3886 Tab.  1. Wzmacniacze z  rodziny Overture oferowane przez National Semiconductor Typ Moc wyj. (RL =8  V, THD=1%) [W] Moc wyj. (RL =4  V, THD=10%) [W] Moc wyj. (RL =8  V, THD=10%) [W] THD [%] PSRR [dB] SNR [dB] Liczba kanałów LM3886 63 87 78 0,03 1 LM3876 45 56 0,06 98 1 LM4780 55 0,03 120 114 2 LM3875 56 56 70 0,06 1 LM4766 26 53 37 0,06 100 2 LM4781 25 0,02 125 17 3 LM4782 25 40 30 0,2 115 98 3 LM1876 20 29 26 0,08 2 LM4765 30 30 40 0,08 2 LM1875 25 30 0,022 95 1 LM2876 45 50 0,06 125 98 1 Fot. 2. Przykład budowy wzmacniacza Gainclone 68 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2009 wybór konstruktora lone miał oferować dźwięk porównywalny z dużo droższymi wzmacniaczami budowa- nymi z  elementów dyskretnych. Pojawiały się konstrukcje różnych wzmacniaczy, za- leżnie od żądanej mocy wyjściowej. Na fot. 2 pokazano przykładowo konstrukcję takiego wzmacniacza wykonanego przez Petera Da- niela. W tab. 2 porównano parametry układów TDA7294 i LM3886 z rodziny Overture. Wy- pada ono lekko na korzyść układu LM3886, jednak różnice są niewielki i  raczej ktoś o przeciętnym słuchu nie będzie w stanie roz- różnić brzmienia obu wzmacniaczy. Osobną sprawą jest subiektywna ocena brzmienia wzmacniaczy zbudowanych w oparciu o te układy. Każdy z nich ma tylu swoich zago- rzałych zwolenników, co i  przeciwników. Osobiście zbudowałem i  użytkuję wzmac- niacze z  układami TDA7294 i  LM1876 (fot. 3 i fot. 4). Jest to wzmacniacz Overture o mniejszej mocy, ale o bardzo pozostałych parametrach podobnych do LM3886. Przy takim samych źródle sygnału i kolumnach, różnice przy normalnym słuchaniu muzyki są prawie niezauważalne. Jednak gdybym miał wybierać, to subiektywnie wybrałbym LM1876. Oprócz scalonych wzmacniaczy w  sprzęcie audio wyższej jakości chętnie są stosowane wzmacniacze hybrydowe. Są to klasyczne układy zbudowane z  elemen- tów dyskretnych na płytkach drukowanych zamkniętych w obudowach z wyprowadze- niami w  jednym rzędzie. Elementy bierne są najczęściej wykonane w  technice SMD. Tranzystory wyjściowe mogą być pozbawio- ne własnej obudowy, a ich struktura jest bez- pośrednio przyklejona do metalowej części obudowy przykręcanej do radiatora. Obecnie głównym producentem układów hybrydo- wych jest firma Sanyo. Kiedyś na jej licencji były produkowane w Polsce układy GML025 i GML026 stosowane w krajowym sprzęcie, między innymi w amplitunerach Elisabeth, Merkury i Amator. Hybrydowe wzmacniacze Sanyo typu STK4042 lub STK4044 były sto- sowane w  ostatnich wzmacniaczach Diory WS504 i WS704. Firma Sanyo do dziś produkuje wzmac- niacze hybrydowe. Przykładem może być wzmacniacz STK404-230E o mocy wyjścio- wej 150 W i parametrach porównywalnych z STK4044II. Na fot. 5 pokazano wzmacniacz z układem STK032. O  ile stosowanie scalonych wzmac- niaczy mocy do sterowania kolumn głośni- kowych w  segmencie audiofilskim może budzić mieszane uczucia wśród ortodoksyj- nych audiofilów, to scalone wzmacniacze słuchawkowe mają już zasłużenie bardzo dobre opinie. Kiedyś słuchawki były stero- wane przez wzmacniacz mocy za pomocą osobnego gniazda podłączonego do tego samego wyjścia wzmacniacza co kolumny głośnikowe jedynie przez rezystory zabez- pieczające. Najczęściej słuchawki podłącza- ne były poprzez gniazdo jack. Było to zwykle gniazdo z wyłącznikiem, więc po włożeniu wtyku kolumny głośnikowe były odłączane, a dźwięk był słyszany tylko przez słuchawki. Od jakiegoś czasu dla słuchawek stosuje się oddzielne wzmacniacze o różnej konstrukcji: lampowe, tranzystorowe i z układami scalo- nymi. Sterowanie słuchawkami jest z  jednej strony łatwiejsze bo ich moc jest zdecy- dowanie mniejsza niż zestawów głośniko- wych. Jednak wysoka jakość przetworników słuchawek z  wyższych półek i  to że prze- tworniki są bardzo blisko uszu powoduje, że sygnał ze wzmacniacza musi być wolny od szumów i  przydźwięków oraz jakich- kolwiek innych zniekształceń. Impedancja słuchawek wysokiej klasy jest różna, zależ- nie od producenta. Na przykład bardzo do- bre słuchawki AKG K-701 mają impedancję ok. 60  V, a  porównywalne jakością Beyer- dynamic DT880Pro 250  V, czy Sennheiser HD600 300 V. Na rynku można też znaleźć dobre słuchawki o  impedancji 600  V. Tak szeroki zakres impedancji obciążenia może sprawiać wzmacniaczowi pewne problemy, ale dobre konstrukcje znakomicie radzą so- bie z tym problemem. Dobry wzmacniacz słuchawkowy moż- na zbudować w  oparciu o  wspomniane wcześniej scalone wzmacniacze mocy. Pro- ducenci oferują tez specjalizowane układy przeznaczone do tego celu. Szczególnie god- ny uwagi jest TPA6120 (tab. 4) ? specjalizo- wany wzmacniacz słuchawkowy wysokiej klasy firmy Texas Instruments, który powstał na bazie układu drivera ADSL THS6012. Na bazie tego układu wielu elektroników bu- Tab.  2. Wybrane parametry elektryczne układów TDA 7294 i  LM3886 Parametr TDA7294 LM3886 Napięcie zasilania Min. ?10  V maks. ?40  V Min. ?10  V maks. ?42  V Moc wyjściowa, ciągła dla f=1 kHz THD+N?0,5% UZAS =?27  V, RL =4  V, PWY =70  W UZAS =?35  V, RL =8  V, PWY =70  W Dla THD+N?0,1% UZAS =?28  V, RL =4  V, PWY =60  W UZAS =?28  V, RL =8 V, PWY =30  W Zniekształcenia THD+N PWY =5  W, f=1  kHz, THD+N?0,005% PWY =0,1 W...50 W, f=20 Hz...20 kHz, THD+N?0,1% PWY =68  W, RL =4  V PWY =34  W, RL =8  V f=20  Hz...20  kHz THD?0,03% Prędkość narastania sygnału SR 10  V/?s 19  V/?s SVR F=100 Hz Vripple =0,5 Vrms 75 dB Brak danych PSSR Brak danych 105 dB CMMR Brak danych 110 dB SNR A-ważony 92,5 dB Tab.  3. Podstawowe parametry wzmac- niacza STK4044II Parametr STK4044II Napięcie zasi- lania ?51  V Moc wyjściowa Po THD=0,4%, f=20  Hz...20  kHz RWY =100  W  przy RL =8  V Pasmo przeno- szenia PWY =1 W 20  Hz...50 kHz dla spadku ?3  dB THD PWY =1  W, f=1  kHz THD?0,3% Fot. 3. wzmacniacz z układem tDa7294 Fot. 4. wzmacniacz z układem LM1876 Fot. 5. wzmacniacz z historycznymi już dziś układami stk032 Fot. 6. wzmacniacz słuchawkowy z wykorzystaniem układu tPa6120a2 69ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2009 Scalone wzmacniacze akustyczne Tab.  4. Wybrane parametry układu TPA6120A2 Parametr Warunki pomiaru Typ. Jedn. THD+N Zawartość harmonicz- nych + szum PWY =100  mW, RL =32  V, f=1  kHz, VCC =?15  V PWY =100  mW, RL =600  V, f=1  kHz, VCC =?15  V 0,0006 0,000065 % % CMRR Tłumienie zakłóceń trybu wspólnego VCC =?15  V 100 dB SR Czas narostu VCC =?15  V, ku=5  V/V 1300 Ms SNR Stosunek mocy sygnału do mocy szumu f=1  kHz, RL =32...64  V, f=1  kHz, VCC =?12...15  V 104 dB Tab.  5. Wybrane parametry układu LT1210 Parametr Warunki pomiaru LT1210 Jedn. Min. Typ. Maks. CMRR Tłumienie zakłóceń trybu wspólnego VS =?15  V, VCM =?12  V VS =?5  V, VCM =?2  55 50 62 60 dB dB PSRR Tłumienie zakłóceń zasilania SR Czas narostu TA =25°C, AV =2, RL =400  V TA =25°C, AV =2, RL =10  V 400 900 900 V/?s V/?s Wzmocnienie różnicowe VS =?15  V, RF =750  V, RG =750  V, RL =15  V 0,3 % Faza różnicowa VS =?15  V, RF =750  V, RG =750  V, RL =15  V 0,1 ° BW Pasmo przeno- szenia AV =2, VS =?15  V, RF =RG =680  V, RL =100  V AV =2, VS =?15  V, RF =RG =680  V, RL =10  V 55 35 MHz MHz Tab.  6. Wybrane parametry układu OPA552 Parametr Warunki pomiaru OPA552UA, PA, FA Jedn. Min. Typ. Maks. en Zakłócenia (gęstość napięcia szumów, f=1  kHz) 14 nV/?Hz GBW Pasmo przenoszenia 12 MHz SR Czas narostu G=5 ?24 ST Czas do ustalenia 0,1% 0,01% G=5,CL =100  pF, skokowo 10  V 2,2 3,0 ?s ?s THD+N Zawartość harmonicz- nych + szum f=1  kHz, VO=15  VRMS , RL=3  kV, G=5 VO=15  VRMS , RL=300  V, G=5 0,0005 0,0005 % % CMRR Tłumienie zakłóceń trybu wspólnego ?27,5  V
Artykuł ukazał się w
Listopad 2009
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik marzec 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio marzec 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje marzec 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna marzec 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich kwiecień 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów