Характеристика усилителя низкой частоты

максимальный ток коллектора 1С МАХ;

максимальная рассеиваемая мощность Ptot.

Есть и другие параметры, связанные с его безопасной работой, но они не связанны напрямую с его внешним окружением и поэтому будем считать, что предыдущие каскады рассчитаны правильно и с этой стороны транзистору никакая опасность не грозит. Максимальные параметры связаны между собой определенной зависимостью, которая графически выглядит примерно как на рис. 3.

Рис. 3. Зона безопасной работы транзистора (SOA) и диаграмма работы в режиме АВ

Сверху зона безопасной работы транзистора (SOA, Safe Operating Area) ограничивается максимальным током коллектора, справа -- максимальным напряжением коллектор-эмиттер, сбоку -- максимальной рассеиваемой мощностью и напряжением вторичного (лавинного) пробоя. Эксплуатация транзисторов при максимальных значениях хотя бы одного из параметров не допускается.

Превышение Ptot означает, прежде всего, что мощность, рассеиваемая на кристалле, не может быть отведена в окружающее пространство и, стало быть, будет употреблена на разогрев кристалла. Превышение кристаллом некоторой критической температуры приведет к необратимому тепловому пробою и выходу прибора из строя. Поэтому системы тепловой защиты УНЧ являются устройствами защиты от превышения максимальной мощности рассеивания. Интегральные УНЧ имеют в этом смысле значительные преимущества перед усилителями на транзисторах, так как имеют возможность непосредственного измерения температуры кристалла и даже конкретной области кристалла. Мало того, вся схема защиты находится на этом же кристалле и не требует никакой дополнительной информации. Сам р-n переход является наилучшим температурным датчиком, а уж в микросхеме этих переходов сколько угодно. Самые примитивные системы защиты просто отключают усилитель. Некоторые производители выводят наружу выход термодатчика, с тем, чтобы внешняя система защиты также могла поучаствовать в работе. Более продвинутые системы осуществляют регулировку выходных каскадов таким образом, что при повышении температуры мощность усилителя понижается, а некоторые могут использовать режимы MUTE и STAND-BY для понижения температуры, так как в этих режимах рассеиваемая на кристалле мощность практически равна нулю. Тепловой защитой оборудованы все современные интегральные УНЧ, так что с этой стороны можно быть спокойным. Далеко не так хорошо обстоят дела с защитой от короткого замыкания.

Трудность заключается в том, что транзистор является быстродействующим прибором и вывести его из строя коротким замыканием в нагрузке можно за микросекунды, особенно когда он находится в режиме больших токов. Кроме того, возможны различные типы замыканий, например замыкание на вывод питания, замыкание на другой выход. Опасность представляет случайное отсоединение общего провода во время работы. Системы защиты должны уметь отличать нештатные ситуации от естественных бросков тока при воспроизведении сигнала с большим динамическим диапазоном или как еще говорят, с большим пик-фактором. Но самая большая сложность заключается в отсутствии влияния систем защиты на выходной сигнал при нормальной работе.

Для повышения надежности защиты микросхемы, некоторые современные усилители при включении производят тестирование выхода. Для этого на выход подается небольшой ток. Если при этом напряжение на выходе значительно меньше нормального, то усилитель остается в этом состоянии до тех пор, пока не будет выключен или пока не будет ликвидирована неисправность, после чего включается. Все это время на диагностическом выводе присутствует сигнал неисправности. Кроме защиты самого усилителя, многие микросхемы осуществляют и защиту динамиков, путем ограничения выходного постоянного тока при неправильном подключении.

Из дополнительных видов защит можно обратить внимание на защиту от переполюсовки, которая часто применяется в автомобильных усилителях в связи любовью пользователей к подключению аккумулятора наоборот. Защитный дио, позволяет длительно пропускать значительный усилителя, в расчете на то, что перегорит плавкая вставка предохранителя.

Микросхемы, содержащие полевые транзисторы, особенно чувствительны к статике. Обращаясь с ними, требуется соблюдать обычные меры предосторожности, применяемые в таких случаях, хотя практически все микросхем имеют защиту. Качество защиты регламентируется в спецификации на устройство в виде максимального заряда, который может выдержать вход.

Интегральные УНЧ изготавливаются исключительно классов АВ, D и Т Правда некоторые из них, как, например TDA7294, имеют отдельные выводы для питания мощных каскадов и могут быть использованы в высокоэффективном режиме, близком к Н, но это реализуется за счет дополнительной внешней схемы.

Ограниченные возможности батарейного питания в переносной и автомобильной технике требуют либо понижать сопротивление динамиков, либо применять другие решения, направленные на повышение выходной мощности усилителей. Таких путей видится два. Первый путь -- это повышение напряжения питания с помощью конвертеров. Второй путь проще: включить усилитель по мостовой схеме. Два одинаковых каскада или усилителя включаются в противофазе и работают на общую нагрузку. Громкоговоритель подключается непосредственно к выходам обоих усилителей, без использования разделительных конденсаторов. Выходное напряжение на нагрузке оказывается вдвое больше, так как нагрузка оказывается подключенной в каждую полуволну ко всему напряжению питания, то в одном направлении, то в противоположном. Поэтому при одном и том же напряжении питания и нагрузке выходная мощность мостового усилителя должна быть в 4 раза больше. Реально получается несколько меньше.

Возможность мостового включения предусматривается во многих моделях, но не во всех. Наряду с большей выходной мощностью, мостовым усилителям свойственны и недостатки. В первую очередь -- повышенный примерно на 10...20% коэффициент гармоник и меньший коэффициент демпфирования, хотя сравнить не всегда легко, т.к. в справочных данных зачастую измерения проводятся при разных условиях. Кроме того, минимально допустимое сопротивление нагрузки также увеличивается, так как увеличивается ток через нагрузку. При монтаже усилителей надо внимательно следить за соблюдением фразировки динамиков.

Для увеличения мощности применяется также параллельное включение усилителей. Например, усилители, выполненные на ТDА7293, могут работать в параллель на очень низкую нагрузку. Такой вариант включения по терминологии фирмы именуется модульным. При этом один из усилителей является ведущим (MASTER), а все остальные соответственно ведомыми (SLAVE). Входные цепи ведомых усилителей отключены, а остальные цепи соединяются по определенным правилам. При этом все управление берет на себя первый усилитель. Трудно сказать точно, насколько увеличится выходная мощность и насколько можно уменьшить нагрузку, разработчик таких данных не приводит. Понятно, что для работы с той же самый нагрузкой параллельная работа усилителей приведет только к распределению мощности на два усилителя. Общее количество параллельных усилителей разработчик не ограничивает!

Большинство аудиоусилителей включены по неинвертирующей схеме. Это в основном объясняется тем, что при этом включении достигается наибольшее входное сопротивление. Кроме того, коэффициент усиления шума для неинвертирующего включения равен его коэффициенту усиления, а у инвертора он на единицу больше. Однако для систем распределенного усиления самым эффективным является балансное или дифференциальное включение. Это практически не имеет значения для УНЧ домашнего применения или переносной аппаратуры. Но для автомобильных систем, где приходится иметь дело с большим уровнем шума или с дополнительными УНЧ, расположенными на удалении от источника сигнала, это очень важно. Также это важно для активных колонок. Некоторые усилители построены таким образом, что их можно включать в балансном режиме, например усилитель TDA7396. Такой режим позволяет наиболее эффективно использовать коэффициент подавления синфазного сигнала, т.е. избавляться от помех и наводок на входе усилителя.

Из дополнительных функций можно отметить присутствующие во многих современных моделях функции диагностики и детекторы клипирования (ограничения сигнала). Например, такой системой обладает упомянутый выше TDA7396. Как правило, система диагностики включает в себя и детектор клипирования, но встречаются и схемы только с одним детектором. Вот типовые функции схемы диагностики. Она реагирует на:

клипирование выходного сигнала;

перегрев;

аварийные состояния выходных цепей:

- короткое замыкание на корпус;

- короткое замыкание на шину питания;

- «мягкое» короткое замыкание при включении.

Принцип работы детектора клипирования выходного сигнала заключается в отслеживании тока выходных транзисторов. Если он начинает приближаться к току насыщения, детектор срабатывает. В результате, сигнал на выводе 25 принимает вид последовательности импульсов, четко синхронизированных с каждым единичным случаем клипирования и имеющих ту же длительность. Эта функция дает возможность автоматической регулировки уровня громкости при перегрузке усилителя. Устройства, использующие эту информацию, обычно осуществляют фильтрацию или интегрирование этих импульсов пассивными RC-цепочками и реализуют алгоритм изменения громкости (или тембра НЧ) с помощью аудиопроцессора, управляемого микроконтроллером. Другим способом контроля искажений является, например, установка максимально допустимого уровня нелинейных искажений (например, THD - 0,5%) во всем частотном диапазоне.

Чувствительность схемы указывается в виде коэффициента нелинейных искажений, на который она реагирует. Для простых схем эта величина порядка 10%. В некоторых схемах порог срабатывания даже может регулироваться. Такие схемы, в противопатожность более простым, могут реагировать на ограничение сигнала, выражающееся в единицах процентов THD. Например, в усилителе TDA7376B детектор клипирования реализован именно таким образом. На вход датчика подается постоянное напряжение, которое должно быть пропорциональным напряжению питания и поэтому выражается в долях от питающего напряжения от 0,15 до 0,4 Vs, что определяет порог срабатывания от 3,5 до 10%.

Сигнал на выходе схемы диагностики появляется также при перегреве кристалла. В различных схемах величина теплового порога составляет 2...10°С до порога теплового отключения. При срабатывании детектора короткого замыкания выхода на шину питания или корпус, также выдается аналогичный сигнал. Схема диагностики не делает между ними различий. Сигналом неисправности является просто сигнал низкого уровня. Выход схемы представляет собой открытый коллектор.

Поскольку вся информация идет по одному каналу, требуется внешняя схема обработки. Сигналы можно разделять, благодаря их различным временным характеристикам. Обычно детектор клипирования выдает на выход импульсы нулевого значения, которые значительно короче, чем импульсы аварийных состояний. На этом принципе селекции длительности и строится схема распознавания. Эту схему вам придется изготавливать самостоятельно, хотя вариант приводится в руководстве для данного усилителя. Параметры элементов схемы, разумеется, подбираются на конкретных устройствах.

О предварительной диагностике короткого замыкания во время включения мы уже говорили выше. Поскольку выход схемы диагностики предназначен для информирования управляющего контроллера или для индикации, то решение о действиях при коротком замыкании принимает сама система и отключает выходные каскады до устранения неисправности. При этом на выходе присутствует постоянный сигнал низкого уровня.

Теоретики не выделяют вообще блок питания из состава усилителя и пусть это лишний раз свидетельствует о важнейшей роли этого блока и влиянии его на характеристики усилителя. Здесь не место рассматривать подробно схемотехнику и схемные решения блоков питания, но общие требования сформулировать необходимо.

Все сигнальные цепи усилителя проходят через блок питания, поэтому он сам является сигнальной цепью. Эта цепь должна обладать крайне низким сопротивлением в максимально возможном диапазоне частот, для того, чтобы проходящие по ней токи не взаимодействовали между собой. Необходимо тщательно продумывать топологию источника питания, чтобы избежать появления наводок и помех.

Динамики обладают высокой реактивностью, а при реактивных нагрузках токи увеличиваются многократно, и ток в 50 А в импульсе для мощного УНЧ не является чем-то необычным при среднем токе в 5...7 А. Поэтому требуется высокая нагрузочная способность и еще раз низкое выходное сопротивление источника питания. Таким сопротивлением обладает, например, хороший стабилизатор. На высоких частотах следует учитывать, что ни электролитические емкости, ни стабилизатор на таких частотах развязку не обеспечат. Поэтому обязательно следует шунтировать каждый электролит высокочастотным малоиндуктивным конденсатором, например майларовым, керамическим или полиэстеровым.

А теперь несколько общих советов относительно печатных плат. Не следует полагать, что если устройство работает в диапазоне звуковых частот, то к трассировке печатных плат не предъявляются специальные требования. Неправильно спроектированная печатная плата может испортить все.

Располагать развязывающие конденсаторы следует как можно ближе к выводам микросхемы, а выводы самих конденсаторов следует обрезать как можно короче.

Электролитические конденсаторы развязки по питанию обязательно должны шунтироваться малоиндуктивными майларовыми, керамическими или аналогичными.

Все проводники должны иметь минимальную длину. Помните, что печатная плата тонкая и не располагайте слаботочные сигнальные проводники паралллельно сильноточным ни на одной стороне платы, ни на противоположных.

Удаляйте корпусные проводники большой площади под микросхемой, вокруг нее и под входными выводами, чтобы избежать паразитных наводок.

Никогда не прокладывайте параллельно провода или проводники питания и сигнальные.

Никогда не допускайте замкнутых петель в общем проводе, самой лучшей конфигурацией общего провода является звезда с центром в точке присоединения электролитического конденсатора фильтра питания.

Как правило, в усилителях существуют два земляных контура: сигнальный S-GND и силовой P-GND. Никогда не путайте их. Те элементы, которые должны иметь дело с силовыми цепями должны соединяться только с силовой землей, и наоборот. Иногда эти земли на уровне микросхемы не соединены друг с другом непосредственно. На печатной плате они должны соединяться в одном и только в одном месте и соединение это должно быть качественным, а выбор его места -- это искусство и интуиция. Если вспомнить времена ламповых усилителей, которые монтировались на металлических шасси, то место заземления выбиралось экспериментально по минимуму фона и, вообще говоря, могло находиться в любой точке шасси.

Все конденсаторы, имеющие отношение к STAND-BY, должны подсоединяться к S-GND. Конденсатор SVR (подавления пульсаций питания) должен быть подсоединен к S-GND и как можно ближе к микросхеме. Общий провод входных сигнальных цепей -- естественно kS-GND.

Конденсаторы фильтра питания должны быть подсоединены к Р-GND. Отрицательный полюс источника питания (общий провод) должен быть подсоединен непосредственно к минусу электролитического конденсатора фильтра питания и эта точка должна быть начальной точкой всех земляных цепей на печатной плате. Это единственная точка, которая может быть названа истинной землей.

Сечение проводника должно соответствовать току, протекающему через него. Вы не сделаете ошибки, если примените более широкий проводник. Учтите, что чем уже и длиннее проводник, тем больше его индуктивность.

Если есть возможность, придерживайтесь топологии, предлагаемой изготовителем микросхемы. Там ребята неглупые и им хочется, чтобы их продукцию покупали и уважали. Плохого не посоветуют.

Особенности применения усилителей класса D (на примере TDA748x)

Усилители TDA7480/81/82 являются моно усилителями класса D с раздельным питанием. Выходным сигналом усилителей является высокочастотная последовательность прямоугольных импульсов (порядка 100 кГц) типа RAIL-TO-RAIL (т.е. с размахом, равным напряжению питания) с изменяемой скважностью.

Для того чтобы получить из этой последовательности импульсов аудио-сигнал, на выходе усилителя должен присутствовать фильтр низких частот. Основным достоинством усилителей является их высокая эффективность в сравнении с обычными усилителями класса АВ.

Рис. 4. Блок-схема усилителя

Предварительный усилитель определяет коэффициент усиления всего усилителя (рис. 4). Второй каскад является усилителем мощности класса D с коэффициентом усиления 1,5. Основой усилителя мощности является управляемый мультивибратор, который при отсутствии входного сигнала генерирует меандр. При наличии сигнала на входе, мультивибратор изменяет скважность выходных импульсов. Частота мультивибратора задается напряжением на выводе 9 (для корпуса DIP20) или 6 (для MULTIWATT15).

В дальнейшем нумерация выводов будет приводиться в квадратных скобках через слэш в том же порядке, т.е. сначала для DIP, а затем для MULTIWATT: [9/6].

Выходной каскад выполнен на мощных n-канальных DMOS транзисторах, причем верхний транзистор снабжен параметрической обратной связью (бутстрэпом) через конденсатор СП (на схемах включения).