Простые УМЗЧ на TDA7266 и TDA7297. Правда о мостовом включении и "двойном мосте"

Несмотря на популярность УНЧ работающих в классе D, классические микросхемы типа TDA7266, TDA7297 и др. не исчерпали свой ресурс. Из-за своей простоты, такие усилители очень подходят для начинающих радиолюбителей, которые хотят что-то собрать СВОИМИ РУКАМИ.

В интернете много отзывов об этих и подобных чипах в стиле «барахло и дрянь». Справедливы ли они? Дело в микросхемах или в «мастерах»?
Почему везде указана разная мощность и от чего она зависит?
Можно ли сделать «двойное мостовое включение», чтобы получить ещё бОльшую мощность?
Я постараюсь ответить на эти вопросы.

↑ УМЗЧ TDA7266, TDA7297 не работают от «Кроны»!

Частенько встречаются жалобы в духе «указано, что микросхема работает от 6 Вольт, но подключил батарею „Крона“ целых 9 Вольт, а усилитель не работает, значит это отстой». Надо ли комментировать? Крона не тянет, нужен хороший блок питания с достаточной нагрузочной способностью по току.

Сегодня обычное дело — миниатюрная плата УМЗЧ, но сделать на ней крохотный УНЧ не получится т. к. необходим достаточно мощный блок питания и другая обвязка. А БП имеет размеры намного большие, чем плата УМЗЧ.
Про классический трансформаторный блок питания и говорить не надо, тем более что нужны большие конденсаторы фильтра питания.

С импульсными усилителями тоже не всё так просто. Дешевые обратноходовые блоки питания могут быть источником помех, есть смысл вынести их за пределы корпуса, как в ноутбуках.
Итак, блок питания должен быть достаточно мощным и не создавать помех.

↑ О цифрах выходной мощности в даташите

Далее. Нельзя от этих (и других) усилителей требовать больше, чем они могут. Не надо слишком доверять рекламным обещалкам. Указанная в datasheet мощность обычно преувеличена. То есть это обман, но формально всё правильно. Написано, что такая-то мощность при 10% искажений или вообще при меандре. Это верно, но слушать при таких искажениях невозможно — уши завянут. Честная мощность — при искажениях не более 1…2%, и для данных усилителей она на 25…30% ниже, чем при искажениях 10%.

Надо смотреть с какой нагрузкой могут работать усилители — 8 Ом, 4 Ом или даже 2 Ом. Если усилитель может работать с нагрузкой 2 Ома, он всегда сможет работать и с нагрузкой 4 Ом и 8 Ом, но не наоборот.

Забегу вперед и напишу, что микросхемы TDA7266, TDA7297 способны озвучить и стационарную акустику (дискотЭки не будет), но это не их профиль. Их профиль — полочная, компьютерная, переносная акустика, в том числе с батарейным питанием.

↑ Схема усилителя на TDA7266, TDA7297 с разделением земель

Сразу отмечу, что абсолютно не верю в подлинность микросхем с Али, да ещё по такой бросовой цене. Вопрос в качестве «копий», насколько их параметры близки к указанным в datasheet.

Я разделил через резистор R3 минус питания и общий провод по входу. Полезное решение для борьбы с шумами.

↑ Различия чипов TDA7266, TDA7297

↑ Разные корпуса

По справочному листку, микросхемы полностью взаимозаменяемы, а по факту оказалось, что TDA7266SA в корпусе CLIPWATT15, а TDA7297 в корпусе Multiwatt15.

Разное крепление, разная длина выводов, разная толщина корпусов. Поэтому в файле lay два варианта рисунка платы.

↑ Разное усиление

Упомяну о ещё одном важном, но малозаметном различии между TDA7266 и TDA7297 — чувствительности. У первого усиление 26дБ=20 раз, у второго 32дБ=38 раз (проверено). При питании 12 В и нагрузке 4 Ом для достижения полной неискаженной мощности на вход TDA7266 надо подать 6В/20=0,3В, а на вход TDA7297 — 6В/38=0,16 В.
Отсюда следуют два важных вывода.

↑ Регулятор громкости

1. На входе УМЗЧ обязателен регулятор громкости (уровня), даже если сигнал подается от компьютера или подобного источника со своим регулятором уровня выходного сигнала. Действительно, более чем вероятен сильный перегруз и регулировать громкость только на источнике сигнала будет крайне неудобно из-за узкого диапазона. Лучше установить РГ на УМЗЧ в положение при котором максимальная мощность будет при максимальном выходном уровне источника. Конечно, это касается всех подобных УМЗЧ. Советую для РГ использовать резисторы не более 50 кОм, а лучше 10…22 кОм.

↑ Тон-корректор

2. Считаю, что оптимальной является чувствительность УМЗЧ = 0,5 В. Можно воспользоваться запасом чувствительности установив на вход тон-корректор (можно назвать его тонкомпенсатором и т. п.). Я взял простейший, известный с ламповых времён фильтр и чуть доработал его.
Привожу схему.

В «верхнем» положении переключателя работает подъём на НЧ и ВЧ, в «нижнем» — АЧХ плоская.

В отличие от «первоисточника» небольшой плавный подъем начинается на ВЧ выше 6 кГц, а на НЧ ниже 150 Гц. Это должно несколько компенсировать спад малогабаритных АС для которых и предназначен этот компенсатор. Напомню, что практически у всех «взрослых» и дорогих полочных колонок, спад начинается от 100 Гц. На слух звук с данным корректором предпочтительнее.

Пассивный фильтр давит чувствительность примерно в 6 раз и вместо 0,16 В получим 1 В. Это уже маловато, но в большинстве случаев будет достаточно. Собираюсь подогнать тон-корректор с помощью Спектралаба, но пока нет времени.

Собираюсь дополнить усилитель пиковым индикатором перегрузки, считаю, что это полезно и позволит определить «кто виноват» и «что делать».

↑ Обычное и мостовое включение TDA7266, TDA7297

Рассмотрим на пальцах что и как можно получить с обычного и мостового выхода.

На рис. а) видно что при питании 12 В на выходе усилителя мгновенное напряжение может быть в идеале от +12 В до 0 В, выйти за пределы питания в данном случае просто невозможно. Это напряжение поступает на вывод «+» динамика. А вывод динамика «-» всегда привязан к половине питания т. е. 6 В.

На рис. б) красным цветом показано это напряжение. Амплитуда синусоиды Ua в идеале будет до 6 В. По формуле получается, что мощность идеального усилителя на нагрузку 4 Ом будет 4,5 Вт (на 8 Ом до 2,25 Вт, на 2 Ом до 9 Вт, но нагрузка 2 Ом слишком тяжела для большинства усилителей). На практике без больших искажений редко удается получить на 4 Ом даже 4 Вт.

На рис. в) показан обычный выход усилителя с однополярным питанием, для наглядности динамик и разделительный конденсатор «поменялись местами». Без сигнала на выходе усилителя половина питания т. е. 6 В. Через малое сопротивление динамика конденсатор заряжается до этого же напряжения и без сигнала ток через динамик не протекает.

При подаче синусоидального сигнала мгновенное напряжение на выходе усилителя будет меняться от 0 до 12 В, но на выводе «-» динамика будет поддерживаться постоянное напряжение 6 В и всё изменение напряжения будет приложено к динамику т. к. на звуковых частотах сопротивление динамика многократно превышает сопротивление конденсатора (данное условие будет нарушаться на самых низких частотах, именно поэтому здесь ставят конденсаторы ёмкостью в тысячи мкФ).

Мгновенных изменений напряжения на выходе усилителя недостаточно для изменения напряжения на конденсаторе, его заряд слишком велик, он обладает большой «инерцией». На одном выводе динамика будет переменное напряжение, а на другом — только постоянное.

Чтобы резко увеличить мощность, требуется «мостовое» подключение нагрузки, нужна пара идентичных усилителей, но работающих в противофазе. Потенциально выходная мощность может возрасти в 4 раза! На практике всё не так радужно, есть ряд проблем.
На рис. г) показано такое подключение. Надо понимать, что выпрыгнуть за пределы источника питания и здесь нельзя, нельзя на выходе усилителя получить напряжение выше питания и/или ниже нуля (то же касается и двуполярного питания).

Хитрость здесь в том, что теперь НА ОБА вывода динамика будет поступать переменное усиленное напряжение сигнала и поступать в «разные стороны». Таким образом, амплитуда мгновенного напряжения удваивается. Это удвоение приводит к учетверению мощности.

На рис. г) в точках A,C,E на вых.1 и 2 половина питания т. е. 6 В, на динамике напряжение равно нулю. В точке B на выв. «+» динамика +12 В, на выв. «-» 0 В. Значит к динамику приложено 12 В. В точке D тоже 12 В, но обратной полярности. Так от источника 12 В получают полный размах переменного напряжение (двойная амплитуда) 24 В! Ua тоже выросла вдвое и составила 12 В (рис. д).
По формуле выходная мощность будет уже не 4,5, а 18 Вт. Прыжок «выше головы».

↑ Как ещё нарастить мощность УМЗЧ?

Как же можно ещё нарастить выходную мощность? Способов несколько, например, нагрузка 2 Ом. Но на практике это сложно — токи становятся большими, их должны обеспечить выходные каскады усилителей. Резко возрастают потери на проводах и т. п. Способ работает, но не в нашем случае.

Можно применить… выходной трансформатор, как в ламповых усилителях, но наоборот, не понижающий, а повышающий. Теоретически можно получить любую мощность, но не видел, чтобы это применялось на практике.

Наиболее удобный способ — повышающий преобразователь напряжения питания (Step-UP DC-DC). Тогда снимаются ограничения по напряжению питания.

Кстати, к подобным усилителям можно включать по 4 динамика, но в этом случае потребуются выходные конденсаторы большой ёмкости. Следует обратить внимание на их полярность подключения динамиков.
Посмотрим на примере TDA7379.

Плюс такого подключения вижу в том, что конденсаторы защитят динамики при пробое микросхемы.

↑ Измерения

Итак, усилители собраны, подключено питание. Настройка не требуется, но надо убедиться, что постоянное напряжение на всех выходах усилителей равно половине питания.

Я собрал несколько УНЧ на TDA7297 и TDA7266SA,

запитал их от лабораторного БП, максимум выходного сигнала определял по осциллографу на пороге ограничения, вот таблицы с результатами.

↑ Электрические характеристики TDA7297 на нагрузке 8,2 Ом

Здесь U пит — напряжение блока питания, I потр. — ток от блока питания по его индикатору. U нагр. — напряжение на нагрузке. P нагр. — мощность на нагрузке. U ампл. — амплитуда выходного напряжения (для сравнения с идеальными графиками выше). I ампл. — ток отбираемый от выходных транзисторов.

Итак, при 12 В питания получено 6,3 Вт неискаженной мощности вместо теоретических 9 Вт. В 1,5 раза меньше или на 3 Вт меньше. Мало? Но по сравнению с «идеальными» 2,25 Вт при немостовом выходе, почти в 3 раза больше.

При 15 В мощность уже 10 Вт. А как же заявленные 15+15W DUAL BRIDGE обещанными в datasheet? А вот это уже реклама. Даже на графике datasheet при максимальном питании 18 В получено 14 Вт. В «электрических характеристиках» указано, что 18 В — предельное допустимое напряжение. Правда в другом месте указано, что абсолютный максимум питания 20 В, думаю, что здесь 15 Вт будет получено, но это уже «за гранью». И это для подлинных микросхем. Подобные опыты над микросхемами с Али скорее всего закончатся ненормативной лексикой.

В целом, график зависимости выходной мощности от напряжения питания, для моих микросхем совпадает с приведённым в datasheet.
В справочном листке указано, что в микросхемах есть куча защит от замыканий, перегрева и, в том числе есть ограничение выходного тока на уровне 2 А, запомним это и обратим внимание что в таблице выше максимальный ток 1,59 А т. е. не доходит до ограничения. Думаю, 2 А разработчиками выбрано для питания 16,5 В и нагрузки 8 Ом.

↑ Электрические характеристики TDA7297 на нагрузке 4,1 Ом

А что будет, если нагрузка составит 4 Ом? Заманчиво удвоить выходную мощность. В datasheet все измерения на 8 Ом. Сгорит или не сгорит (у меня есть уверенность, что в микросхемах с Али с защитами не очень)? Кроме того, ограничение тока на уровне 2 А не даст получить на 4 Ом удвоенную мощность. Я ждал увидеть это на экране осциллографа и… не увидел.
Вот результаты.

Мощность выжали больше, но не вдвое, а на 30…40%. Почему? При повышенных токах растут потери в самой микросхеме. Думаю, вы догадались, что если нагрузку уменьшить до 2 Ом, то потери вырастут еще больше, а для данных микросхем и пробовать не буду.

Интересно и то, что ток без ограничений составил 2,5 А. Стоит ли в чипе защита и как работает — неизвестно, а специально жечь микросхемы мне не хочется. Жаль не их, а своё время.

С фирменной микросхемой мы получили бы не более 7,5 Вт из-за ограничений по току. Думаю, при питании 16,5 В можно получить около 15 Вт на 4 Ом, но нагрев микросхемы увеличится и радиатор потребуется хороший.

Почему я делал измерения при питании 11 В? А это батарейное питание — три элемента Li-Ion. Полностью заряженные они дадут 12 В, а разрядившись до стандартных 3,6…3,7 В как раз 11 В. Вы можете оценить максимальную мощность от «батареек». Более 5 Вт на 8 Ом и около 9 Вт на 4 Ом от небольшой переносной балалайки — не так уж плохо. На уровне хороших переносных магнитол прошлого.

На мой взгляд, использовать эти микросхемы при питании ниже 9 В нецелесообразно, а при 3-х или 4-х элементах 18650, вполне возможно. При питании 12…16 В будет даже запас по мощности.

↑ График реальных режимов

Для большей ясности рассмотрим еще раз график реальных, а не идеальных режимов.

«Левая» пара транзисторов — выход первого усилителя, «правая» — второго. Бледно-серые транзисторы закрыты, чёрные — полностью открыты. Рисунки для точек А и В синусоиды.

Ток всегда течет только в одну сторону от «+» питания к «-» питания, но ловко управляя им, можно получать переменное напряжение, да еще с полной амплитудой выше напряжения питания. Падение напряжения на транзисторах зависит от тока, элементной базы, схемотехники и пр. Здесь он около 1 В. Это не много, но даже это уменьшило мощность с идеальных 9 Вт до реальных 6,3 Вт.

Еще замечание. К сожалению, нормальной внутренней схемы микросхем нет, есть чуть более подробное описание подобной микросхемы.


Думаю, что виртуальный общий провод (через него проходит звуковой входной сигнал) соединяется с общим проводом на входе через конденсатор С1 по схеме усилителей TDA7297 и TDA7266SA, поэтому его качество тоже несколько влияет на звук.

Оказалось, что мои микросхемы TDA7266SA нормально работают только при напряжении выше 8 В, ниже этого порога синус превращается в треугольник, а потом быстро «затыкается». Я был уверен, что надо подстроить делитель R1R2 и всё наладится, к моему удивлению, ничего не изменилось.

Таблицы с результатами измерений не привожу т. к они почти совпадают с TDA7297. При этом в datasheet заявлена работа TDA7266SA от 3,5 В, а TDA7297 от 6 В. По факту всё наоборот — TDA7297 работают от 3 В (конечно, нет смысла использовать их в таком режиме). Это еще один камень в огород подлинности обеих микросхем.

Но график мощности и КПД TDA7297 практически совпадает с фирменным, они нормально работают с нагрузкой 4 Ом, поэтому копия получилась неплохая, TDA7266SA — несколько хуже, хотя при напряжении питания 12…15 В и они работают нормально.
В целом, могу рекомендовать к покупке наборы для сборки на TDA7297.

↑ О звучании

Конечно, аудиофильским усилителям они уступают. Но звук без явных искажений и не раздражающий. Все частоты воспроизводятся, особенно низкие. Но звук как бы очищенный, упрощенный, сглаженный. Нет «воздуха», «живости» и микродинамики.

Но недостатки при прослушивании качественных записей переходят в достоинства при прослушивании МР3 и соответствующей акустики. Детальность и прозрачность усилителей более высокого класса могут только подчеркивать недостатки МР3.

У меня есть свои «стандарты» определения мощности (с удивлением фактически нашел подтверждение на некоторых datasheet), своя «музыкальная» мощность, но она принципиально отличается от раздутого PMPO.
Для данных усилителей моя оценка мощности 1…2 Вт, и этого достаточно для домашнего прослушивания на акустике чувствительностью около 90 дБ.

↑ Печатные платы для TDA7297 и TDA7266SA

Сегодня на Алиэкспресс можно купить как модули в сборе на этих микросхемах, так и наборы для самостоятельной пайки. Стоят они ок. 1 доллара, стереоусилитель за такую сумму — неплохо.

↑ Плата УМЗЧ с Али

Считаю удачной плату в наборе за доллар на Али, надо только заменить диод перемычкой.


Вполне годный вариант, но мне не всё в нём нравится, как обычно я считаю, что платы разведённые мною и под мои детали — лучше.

↑ Мои печатные платы

Поскольку платы я развожу медленно и долго, сначала решил сделать работающий макет и оценить, есть ли смысл продолжать.


Имеющиеся в интернете чертежи мне не понравились тем, что дорожки проходят за тыльной стороной микросхем, плата не позволит прикрутить транзистор к радиатору, радиатор будет стоять на плате. Нельзя будет, например, прикрутить плату к корпусу усилителя.
Считаю, лучше припаять перемычку общего провода снизу платы.

В усилителе не следует в цепь прохождения звука ставить керамические конденсаторы, нужны пленочные. На плате они занимают больше места, хотя расстояние между выводами как у керамики — 5 мм.

Так же я разделил через резистор R3 минус питания и общий провод по входу. Это необязательно, но тогда надо делать плату, точно как в datasheet. В платах из интернета обычно общий провод разведен неверно. Насколько это критично — вопрос открыт, но в моих платах при питании от стабилизатора фон отсутствует полностью, а шум из ВЧ динамика еле слышен, если приложить к нему ухо.

↑ Файлы

Два варианта рисунка платы под разные корпуса чипов.
🎁Архив с платами TDA7297, TDA7266 в lay6  15.39 Kb ⇣ 104

Приятного творчества и спасибо за внимание!

↑ Добавки от камрадов

От Игоря Котова:

Вариант печатки от Максима Курасова (Maxkur). Исправлена ошибка соединения (вход ЛК на 5 ногу чипа вместо 4-й), разводка полность без SMD, все подключения подписаны.
🎁pcb-tda7297-no-smd.7z  10.76 Kb ⇣ 72

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации