Полный усилитель на микросхемах. Часть 1. Усилитель мощности звуковой частоты на TDA2006, TDA2030, TDA2040, TDA2050, LM1875

В настоящем проекте мы построим простой усилитель мощности звуковой частоты на популярной микросхеме LM1875. Чтобы конструкция стала законченной, снабдим его регулятором громкости и тембра, а также устройством защиты акустических систем.
Ознакомимся с представленными материалами, соберем базовые узлы и насладимся звучанием собственного усилителя…
Через некоторое время проведем серию экспериментов по улучшению звука, извлекаемого с помощью усилителя.

В первой части проекта мы, не мудрствуя лукаво, соберем «студенческий» усилитель Питера Смита.

↑ Немного истории

На рис. 1 изображена принципиальная схема усилителя, которую в свое время собирал каждый увлеченный студент радиотехнической специальности. На юбилейной (30 лет со дня окончания ВУЗа) встрече выпускников Новгородского политехнического института в мае 2009 года мы обсуждали этот усилитель, а главным образом танцы, в озвучивании и которых он принимал самое непосредственное участие .

Параметры усилителя мощности следующие:
Номинальная выходная мощность (Rн=4 Ом, Кг=0,7 %), Вт = 20
Рабочий диапазон частот при неравномерности частотной характеристики ±0,5 дБ, Гц = 20…20000
Чувствительность при номинальной выходной мощности и входном сопротивлении 10 кОм, В = 1
Относительный уровень помех, дБ = -86

Усилитель выполнен по топологии Лина, ставшей классической и состоит из дифференциального входного каскада на транзисторах VT1, VT2, усилителя напряжения VT3 и двухтактного выходного каскада VT4 – VT9. Выбрана неинвертирующая схема включения. Резистор R1 определяет входное сопротивление, а резисторы R6 и R7 образуют делитель цепи отрицательной обратной связи, задающий усиление по переменному току: Ku=1+R7/R6=11 (20,83дБ).

По постоянному току коэффициент передачи равен единице, от аудиоусилителя не требуется усиление постоянного напряжения. Но встречаются авторы, скажем Е.С. Алешин, которые утверждают, что усилитель должен иметь нижнюю границу усиливаемых частот от постоянного тока (0 Гц). Для разделения цепей передачи постоянного и переменного тока установлен конденсатор С3. Входная цепь R1, C1 и цепь обратной связи R6, C3 образуют фильтры верхних частот. Поскольку частоты среза этих фильтров близки, вместе они определяют нижнюю границу воспроизводимого усилителем диапазона частот.
В нашем случае:
Оптимальной результирующей частотой среза будет частота, на порядок ниже слышимой человеком, а именно – 1…3 Гц.
В цепи коллектора усилителя напряжения VT3 имеется схема «вольтодобавки» R10, R11, C5, создающая положительную обратную связь на нижних частотах, и позволяющая улучшить форму отрицательной полуволны усиливаемого сигнала. В коллектор VT3 включен также конденсатор С4, формирующий требуемую амплитудно-частотную характеристику на высоких частотах. Обычно такой конденсатор включают между базой и коллектором каскада усилителя напряжения. За счет эффекта Миллера его емкость оказывается небольшой – несколько десятков пикофарад. Включение конденсатора С4 между коллектором и общим проводом потребовало на порядок увеличить его емкость.

Выходной каскад выполнен на составном эмиттерном повторителе – тройке, причем в отрицательном плече применена схема Шиклаи, позволяющая использовать мощные транзисторы одинаковой структуры.
Поскольку в то время был дефицит всего, транзисторы мы покупали на радиорынке Автово в Ленинграде (теперь Санкт – Петербург). Помню, в первый раз приобрел транзисторы у любезного молодого человека в пиджаке и при галстуке. По приезде в Новгород выяснилось, что все транзисторы имеют пробой между коллектором и эмиттером, хотя и не паяные. В следующий раз мне не удалось заглянуть в глаза этому жулику, но опыт пришел быстро. На радиорынке я приметил мужика, у которого тряслись руки, и внешний вид был не столь фешенебельный, как у предыдущего. Зато все приобретенные транзисторы оказались просто замечательными, да еще с военной приемкой!

↑ Недостатки схемы и пути ее усовершенствования

Основными недостатками схемы Лина в классическом исполнении являются недостаточный коэффициент усиления без отрицательной обратной связи при оставляющих желать лучшего значениях полосы пропускания и скорости нарастания выходного напряжения. Хотя гармонические искажения на частоте 1 кГц и не превышают одного процента, выше частоты 1 кГц значение искажений увеличиваются в четыре раза на каждую октаву прироста частоты сигнала. Интермодуляционные искажения оказываются в три раза выше нелинейных, поэтому данная схема демонстрирует лишь самый начальный уровень качественного звука, нуждаясь в доработках.
В дальнейшем эта типовая схема УМЗЧ подвергалась множеству усовершенствований, касающихся всех узлов: дифференциального каскада, усилителя напряжения и выходного каскада.

Существенного улучшения характеристик дифференциального каскада удается добиться заменой резистивного квазигенератора тока (R4) транзисторным. Примерно на порядок повышаются стабильность, быстродействие, усиление, подавление синфазного сигнала и помех по цепям питания.
Следующим шагом повышения линейности и динамических характеристик входного дифференциального каскада является использование отражателей тока и токовых зеркал в коллекторной нагрузке (вместо резисторов R2, R3). По существу, токовое зеркало уравновешивает две несимметричные цепи прохождения тока, обеспечивая значительное улучшение линейности и повышая подавление синфазного сигнала, а также коэффициент ослабления пульсаций.

Замена резистивной нагрузки (R10, R11) в каскаде усиления напряжения VT3 транзисторным генератором стабильного тока дает такой же порядок улучшения характеристик, как в дифференциальном каскаде. Для увеличения коэффициента усиления на постоянном токе используется схемотехнический прием – буферный эмиттерный повторитель; для увеличения частоты основного полюса – каскодная схема. Увеличения глубины общей обратной связи в звуковом диапазоне частот без повышения частоты среза всего усилителя добиваются двухполюсной коррекцией в каскаде усиления напряжения.
Выходной каскад (рис. 1) работает в классе АВ и выполнен на тройках транзисторов по квазикомплементарной схеме. Применение тройки транзисторов вместо желательной двойки вызвано в первую очередь малыми значениями коэффициентов передачи транзисторов при невысоком сопротивлении нагрузки (акустической системы, Rн=4 Ом).

Улучшения работы выходного каскада добиваются применением специально разработанной для целей звуковоспроизведения элементной базы:
- комплементарных транзисторов (например, 2SC3281/2SA1302 фирмы Toshiba), мощных комплементарных многоэмиттерных транзисторов (аббревиатура LAPT, 2SC3284/2SA1303 фирмы Sanken);
- мощных биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT, например, GT20D201/GT20D101 фирмы Toshiba);
- полевых транзисторов (2SK1058/2SJ162) и других полупроводниковых приборов.

Важным усовершенствованием можно считать выпуск интегральных схем усилителей мощности звуковой частоты, который существенно упростил применение при характеристиках, сравнимых с параметрами устройств на дискретных компонентах. В качестве примера на рис. 2 изображена упрощенная схема интегрального усилителя мощности TDA2050 компании STMicroelectronics [2]. Подобную схему имеют усилители мощности TDA2006, TDA2030, TDA2040 и другие [3-7].


Для повышения входного сопротивления дифференциальный каскад (ДК) выполнен на составных эмиттерных повторителях VT4, VT5 и VT9,VT10. Оптимальный выбор режима работы по постоянному току и применение p-n-p транзисторов, имеющих меньшее объемное сопротивление базы по сравнению с транзисторами противоположной структуры, позволило получить незначительный уровень шума (типовое напряжение шумов, приведенное к входу, в диапазоне частот от 22 Гц до 22 кГц составляет не более 5 мкВ).

В коллекторной нагрузке ДК установлено токовое зеркало VT7, VT8, в цепи эмиттеров включен источник тока VT6.
Каскад усиления напряжения также выполнен по составной схеме на транзисторах VT11, VT13, что позволило получить высокий коэффициент усиления без обратной связи, более 80 дБ. Конденсатор С2 осуществляет однополюсную частотную коррекцию.
Для увеличения запаса по фазе каскад усиления напряжения и выходной каскад охвачены еще одной цепью частотной коррекции через конденсатор С1 (так называемая инклюзивная частотная коррекция).

Выходной каскад микросхемы (VT18, VT20 и VT15, VT16, VT21) выполнен по квазикомплементарной схеме, характерной для усилительной техники семидесятых годов прошлого столетия. Инклюзивная частотная коррекция помогает выровнять фазовые характеристики несимметричных плеч выходного каскада, в результате чего получен приемлемый баланс между технологичностью изготовления микросхемы (читай: ценой) и реализованными достаточно высокими техническими характеристиками.

↑ Интегральные схемы TDA2006, TDA2030, TDA2040, TDA2050, LM1875

Все указанные в заголовке микросхемы располагаются в удобном корпусе ТО220, имеющем пять выводов и отверстие для крепления к радиатору. Схема подключения внешних элементов дана на рис. 3, в табл. 1 приведены значения элементов и технические характеристики УМЗЧ.


Таблица 1:

🎁table_1.rar  13.11 Kb ⇣ 176
Интегральная схема TDA2006 снята с производства, но все еще встречается в продаже. Ее улучшенным вариантом можно считать распространенную микросхему высококачественного звукового усилителя TDA2030.
Все микросхемы имеют внутреннюю защиту от перегрузок или короткого замыкания на выходе, а также автоматическую систему отключающую усилитель при перегреве.
Металлическая планка для крепления к радиатору микросхем, указанных в табл. 1, соединена с отрицательным выводом (вывод 3) источника питания, что удобно при однополярном питании микросхемы, поскольку не требует изолирующей прокладки между микросхемой и радиатором. Обратите внимание на то, что с двухполярным источником прокладка необходима.

Входной конденсатор С1 является неполярным электролитическим, а усиление по напряжению определяется уже известным отношением резисторов в цепи обратной связи: Ku=1+R4/R3.

Фильтр нижних частот R1, C2 на входе микросхемы, ограничивает спектр сигналов, тем самым предотвращает появление динамических искажений. Элементы R5, C4 – цепь Зобеля; в непосредственной близости от выводов питания микросхемы устанавливаются пары конденсаторов пленочный плюс оксидный (соответственно С5, С6 и С7, С8), играющие важную роль в обеспечении устойчивой работы усилителя.

Ограничительные диоды VD1, VD2, присоединенные между шинами питания и выходом усилителя в обратной полярности, служат эффективным методом защиты транзисторов выходного каскада микросхемы DA1. В Datasheet рекомендуются выпрямительные диоды общего применения 1N4001, но я на практике убедился, что лучше использовать быстродействующие диоды, например отечественные КД212.

Анализ данных, приведенных в табл. 1, показывает, что наименьшими искажениями обладает интегральная схема высококачественного звукового усилителя LM1875. При напряжении питания ±25 В и нагрузке 4 Ом она может обеспечить выходную мощность 20 Вт с коэффициентом нелинейных искажений 0,015 %. Выберем эту микросхему для реализации нашего проекта.

↑ «Студенческий» УМЗЧ Питера Смита

Распространенность микросхемы LM1875 позволяет надеяться, что имеются законченные конструкции на ее основе. Так оно и оказалось, – соберем великолепный усилитель Питера Смита, опубликованный в апрельском номере английского журнала «Everyday Practical Electronics» за 2007 год [8]. Автор назвал его «студенческим». Действительно, собрать его проще, чем конструкцию 35 – летней давности [1].
Принципиальная схема одного канала усилителя показана на рис. 4, а блока питания к нему – на рис. 5. Блок питания снабжен необязательной опцией – компенсационным двухполярным стабилизатором, который может пригодиться для питания предварительного усилителя или темброблока.

Усилителя мощности имеет следующие параметры:
Номинальная выходная мощность (Rн=4 Ом; 8 Ом), Вт = 20
Рабочий диапазон частот при выходной мощности 1 Вт, Гц = 14…100000
Коэффициент гармоник на частоте 1 кГц при выходной мощности 20 Вт, дБ = -105



Хотя микросхемы, указанные в табл. 1 просты и удобны в использовании, они требуют тщательной продуманности разводки проводников при разработке печатной платы для обеспечения устойчивой и надежной работы. Печатная плата, спроектированная Питером Смитом представляет собой пример грамотной разводки сильноточных и слаботочных цепей усилителя, и может быть смело рекомендована к повторению (рис. 6), также, как и блок питания (рис. 7).



Здесь возник вопрос, требующий пояснения.

↑ Что такое силовая и сигнальная «земля»?

Разберемся с заземлением в УМЗЧ. Следует понимать, что имеются земли двух типов: силовые (токовые) и сигнальные (потенциальные). По первым протекают токи, а по вторым практически нет (малые токи сигнала и смещения в дифференциальном каскаде). Как только в цепь потенциальной земли попадает отрезок токовой земли (иногда достаточно нескольких миллиметров!), возникают помехи и искажения выходного сигнала. Я сталкивался с ситуацией, когда один сантиметр общей сигнальной и силовой земли увеличивал коэффициент гармоник на два порядка – с тысячных долей процента до десятых!

Виновато конечное сопротивление «земляных» шин, которое приводит к тому, что импульсы тока по общему проводу с выхода усилителя могут попасть на его вход.
Существуют три действенных способа борьбы с такими помехами:
- увеличение сечения шин общего провода;
- соединение всех идущих к общему проводу проводников в одной точке;
- гальваническая развязка общего провода входного каскада от шины питания выходных каскадов усилителя.

Последнее возможно в УМЗЧ с дифференциальным каскадом. С общим проводом источника сигнала связаны выводы R1, R2, С2 и С3, см. рис. 4 (сигнальная «земля»). Все остальные проводники, соединенные с общим проводом, подсоединены к силовой «земле». Кстати, некоторые конструкторы используют не две, а три «земли» - сигнальную, промежуточную и силовую. Для предотвращения выхода усилителя из строя при случайном отключении источника сигнала обе земляные шины соединены на плате резистором R6. Его сопротивление выбирают как компромисс между воздействием помех от «силовой» земли и влиянием на глубину отрицательной обратной связи (практический выбор – единицы … десятки Ом).
В случаях, когда сигнальная земля образует замкнутый контур, он играет роль антенны, вызывая появление трудно устранимых наводок.

Вид смонтированного модуля УМЗЧ и блока питания к нему, вынесенный в аннотацию статьи, обязаны усилить желание немедленно самому собрать данную конструкцию.

↑ Оценка площади охлаждающей поверхности радиатора

Микросхема обязательно должна быть установлена на радиаторе – ведь даже в состоянии покоя на ней рассеивается мощность, равная P0=UпI0=(2•25)•0,07=3,5 Вт. Чтобы рассчитать необходимую площадь радиатора, вычислим максимальную рассеиваемую мощность для случая работы в идеальном классе В:
где Uп – полное напряжение источника питания, Rн – сопротивление нагрузки, Р0 – мощность, рассеиваемая в режиме покоя.
При полном напряжении источника питания Uп =50 В, Rн =8 Ом на корпусе микросхемы должна рассеиваться мощность около 19,3 Вт. Ясно, что температура кристалла при работе всегда должна быть ниже 150ºС. Примем температуру окружающего воздуха 53 ºС, тогда тепловое сопротивление переход – окружающая среда должно быть меньше, чем: (150-53)/19,3=5,0 ºС/Вт.

Обычно сумма тепловых сопротивлений корпус – радиатор и радиатор – окружающая среда оказываются меньше, чем 2,0 ºС/Вт. Тепловое сопротивление корпус – радиатор зависит от способа установки микросхемы. Если использовано непосредственное соединение металл – металл, тепловое сопротивление будет примерно 1,0 ºС/Вт при использовании теплопроводной пасты и 1,2 ºС/Вт при ее отсутствии.

При наличии слюдяной прокладки между корпусом и радиатором тепловое сопротивление можно считать равным 1,6 ºС/Вт и 3,4 ºС/Вт соответственно при применении теплопроводной пасты и без нее. Рассмотрим для примера крепление микросхемы к радиатору через слюдяную прокладку с применением теплопроводной пасты. Тепловое сопротивление радиатора должно быть меньше чем 5,0 – 2,0 - 1,6 = 1,4 ºС/Вт. Это рекомендуемое тепловое сопротивление радиатора для данной конструкции.

Полезно оценить результаты расчетов радиатора с помощью какой-нибудь программы, например, [4]. Самый прикидочный расчет площади охлаждающей поверхности радиатора: 20 квадратных сантиметров на каждый ватт рассеиваемой микросхемой мощности.
Для радиаторов, выполненных из алюминиевых сплавов с ребрами не тоньше 3 мм при шаге ребер не менее 10 мм и свободном потоке воздуха площадь радиатора можно оценить следующей приближенной формулой: S[кв см]≈600/Rθр-с[ºС/Вт]=600/1,4=430 кв см.
Как уже указывалось, микросхема LM1875 снабжена эффективной схемой тепловой защиты. Когда температура кристалла микросхемы достигнет 170 ºС, схема тепловой защиты срабатывает, и усилитель выключается. Включение происходит после понижения температуры кристалла до 145 ºС. Однако, если температура кристалла снова начнет повышаться, то теперь отключение произойдет уже при 150 ºС.

↑ Детали

Ниже приведен список деталей для сборки усилителя [8].


Подчеркну, что в данном усилителе может быть применена любая из микросхем, указанных в табл. 1. Из этой же таблицы берется напряжение питания усилителя и параметры элементов обвязки (С1, С2, С4, R4 и R7, см. рис. 4).

↑ Налаживание

Собранный из исправных деталей усилитель не требует налаживания. Перед первым включением усилителя мощности питание следует подавать через токоограничивающую цепь. Я использую такую схему для отладки своих конструкций, рис. 8 [10].

Контролируют падение напряжения на резисторах токоограничивающей цепи R1, R2 – оно должно соответствовать току покоя 70…100 мА. Если это так, вспомогательную цепь отключают, а питание подают от блока питания. В случае, если потребляемый ток УМЗЧ превышает указанное значение – ищите причину: неисправный элемент или ошибки в монтаже!

↑ Итог

Итак, что же мы получили? Простой усилитель мощности звуковой частоты, который по качеству звучания вполне конкурирует со своими «старшими братьями» - LM3886, TDA7293/94. Его можно сравнить с квашеной капустой: и на стол поставить не стыдно, и съедят - не жалко!
Настоящий проект кроме совсем неплохого усилителя поможет приобрести опыт - самый ценный багаж радиолюбителя!

↑ Файлы

Оригинальную статью Питера Смита и печатные платы (в формате pdf) можно взять тут:
🎁students_amp.zip  3.56 Mb ⇣ 616

↑ Упомянутые источники

1. Бать С., Середа В. Высококачественный усилитель НЧ // Радио, 1974, №6, с. 52 – 54.
2. 32W Hi-Fi AUDIO POWER AMPLIFIER TDA2050
3. 12W AUDIO AMPLIFIER TDA2006
4. 14W Hi-Fi AUDIO AMPLIFIER TDA2030
5. 18W Hi-Fi amplifier and 35W driver TDA2030A
6. 20W Hi-Fi AUDIO POWER AMPLIFIER TDA2040
7. 20-W Audio Power Amplifier LM1875
8. Smith P. Students' Amp // Everyday Practical Electronics, 2007, №4, р. 10 – 15.
9. Расчет теплоотводов на компьютере // Радио, 1988, №2, с. 60, 61.
10. Мосягин В. Стереофонический усилитель на современных микросхемах / В копилку радиолюбителя. Популярные схемы и конструкции. Книга 2. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2007, с.148 – 174.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации