Scalone wzmacniacze akustyczne cz.1.

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