Двухканальный усилитель мощности звуковых частот D-класса 2х210 Вт с расширением до 6 каналов

Сегодня никого не удивишь цифровыми устройствами звуковоспроизведения, будь то MP3-плеер, CD/DVD-система домашнего кинотеатра, персональный компьютер и т.д. Времена массовой аналоговой звукозаписи уходят в прошлое. Аудио- и видеокассеты все реже встречаются на полках магазинов. Можно с уверенностью сказать, что нас окружает мир цифровых технологий хранения и воспроизведения звука. Но и в наши дни радиолюбители увлекаются конструированием традиционных линейных усилителей мощности класса Hi-Fi, выходные каскады которых работают в режимах AB, реже в A или B. Но, как правило, подобные устройства имеют большие габариты, низкий КПД, высокое тепловыделение. Долгое время в тени оставались т.н. усилители D-класса. Снижение стоимости и доступность высоко-разрядных АЦП, сигнальных процессоров способствовали появлению доступных для широкого круга пользователей высококачественных усилителей мощности D-класса, основанных на ШИМ. Работа в ключевом режиме выходных каскадов транзисторов таких усилителей позволяет в разы, а порой и в десятки раз увеличить КПД, тем самым понизив тепловыделение усилителя и, в конечном счете, его габариты и стоимость. Среди усилителей большой мощности устройства класса D являются непревзойденными по экономичности. Цифровая обработка сигналов исключает возможность появления искажений и шумов в предварительных трактах обработки сигнала, упрощает и облегчает линейные преобразования без использования механических регулировочных элементов, расширяет функциональность усилителя.
В 2008 г. появился блок BМ2072, о котором читатели смогут прочесть на страницах этого журнала. Отличительной особенностью усилителя является его многоблочное построение: он состоит из одного процессора сигналов и оконечного силового модуля BM2071. Количество каналов усиления определяется числом подключенных блоков BM2071 и может достигать 4 шт. Максимальная мощность — до 315 Вт на канал (при нагрузке 4 Ом). При этих преимуществах усилитель имеет один весьма серьезный недостаток — высокую цену, которая далеко не каждому по карману.
В предлагаемой новой разработке мы попытались избавиться от недостатков предыдущей модели. Новый усилитель BM2073 отличается большим количеством подключаемых каналов усиления (до шести) и наличием цифрового входа (см. табл. 1 и 2).

В отличие от предыдущей версии усилителя, блок позволяет собрать уже шестиканальный усилитель Hi-Fi с использованием одного источника питания напряжением 14,5÷50 В. Усилитель поставляется как одноплатный стереомодуль с интегрированными на одной плате модулятором сигналов TAS5086 и двухканальным оконечным усилителем TAS5162 мощностью до 2×210 Вт
(при нагрузке 6 Ом). В качестве опции к нему можно подключить дополнительно до четырех оконечных 310-Вт усилителей BM2071.
В усилителе реализована возможность подключения цифрового источника с широко распространенным интерфейсом S/PDIF, например, персонального компьютера или DVD-проигрывателя.
Общий вид усилителя представлен на рисунке 1, схема электрическая принципиальная — на рисунке 2.

Рис. 1. Общий вид устройства

Рис. 2. Схема электрическая принципиальная

Ниже приведено описание работы усилителя в полной комплектации BM2073.
Функционально усилитель состоит из преобразователей напряжения питания U5 (12 В), U6 (3,3 В), U14 (5 В); микроконтроллера U15, управляющего режимами работы усилителя; АЦП U2, U3, U4; тактового генератора U1; входного усилителя SPDIF-сигнала U8; декодера SPDIF U7; мультиплексора сигналов I2S U9; сигнального процессора U12; выходного стерео ШИМ-усилителя U13; пассивного ФНЧ L3-L6, C86, C87, а также согласующей логики U10, U11 для подключения дополнительных усилителей ЗЧ BM2071 310 Вт.
Для питания усилителя необходим источник питания с выходным напряжением от 14,5 В до 50 В, подключаемый к разъемам XS5, XS6. При меньшем напряжении питания выходная мощность, соответственно, будет меньше. Зависимость выходной мощности от напряжения питания и сопротивления нагрузки приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Зависимость выходной мощности PO от напряжения питания PVDD

Следует отметить, что при сопротивлении нагрузки 4 Ом максимальное напряжение питания не должно превышать 38,5 В во избежание перегрузки выходных каскадов усилителя.
Аналоговый звуковой сигнал амплитудой не более 1,5 В через разъем XS13 подается на АЦП U2, U3, U4. Далее, после аналогово-цифрового преобразования с частотой дискретизации 96 кГц сигналы каналов 1, 2 в формате I2S попадают на мультиплексор U9. В зависимости от выбранного цифрового или аналогового входа, на выходе U9 появляется сигнал 1–2 канала либо от декодера SPDIF U7, либо от АЦП U2.
Сигнальный процессор U12 TAS5086, управляемый микроконтроллером U15, преобразует шестиканальный входной сигнал из формата I2S в выходные ШИМ-сигналы частотой 384 кГц и индексом модуляции 96,1%. Процессор позволяет производить регулировку общей громкости в пределах –100…24 дБ, реализовать режим MUTE, а также мультиплексировать входные сигналы в зависимости от выбранного источника.
Стоит отметить, что цифровой вход усилителя предназначен для приема только стереосигнала, поэтому в TAS5084 каналы 1 и 2 в режиме работы SPDIF дублируются на выходы каналов 3,5 и 4,6, соответственно. В режиме «аналоговый вход» все шесть каналов после АЦП независимо обрабатываются в сигнальном процессоре, с которого в формате ШИМ-сигналов передаются на оконечные усилители.
На плате устройства размещен только один двухканальный оконечный усилитель TAS5162 мощностью до 2×210 Вт, усиливающий сигналы каналов 1, 2. Дополнительные каналы можно реализовать, подключив усилители ЗЧ BM2071 к разъемам XS7, 8, 9, 10.
Управление основными режимами работы усилителя, а также их индикация осуществляются микроконтроллером U15. Расположенный на плате светодиод VD3 загорается красным цветом в режиме «вход SPDIF», светодиод VD4 — при выключении усилителя внешней кнопкой On/Off (см. рис. 5). По умолчанию, при первой подаче напряжения питания усилитель автоматически включается в режиме «аналоговый вход», при этом уровень усиления выставляется номинальным — 0 дБ. Для полноценной работы усилителя предусмотрено подключение внешних органов управления/индикации.
К разъему XS14 подключаются кнопки: выключения (On/Off); режима приглушения звука (MUTE); увеличения и уменьшения громкости (Volume+ и Volume-); выбора источника сигнала (Digital/Analog); восемь светодиодов, отображающих уровень установленной громкости; два светодиода режима работы «Вкл./Выкл.» и «Вход»; источник сигнала SPDIF («тюльпан»).
Схема подключения светодиодов, кнопок и «SPDIF» к разъему XS14 приведена на рисунке 6.

Рис. 4. Подключение дополнительных усилителей ЗЧ BM2071 для получения шестиканального усилителя класса Hi-Fi 2?210 Вт + 4?310 Вт

Рис. 5. Вид платы со стороны светодиодов

Рис. 6. Схема подключения внешних светодиодов, кнопок и разъема SPDIF

При необходимости кнопочные переключатели уровня громкости можно заменить классическим регулировочным резистором на 1…100 кОм. При этом принцип цифровой регулировки уровня остается неизменным. Схема подключения резистора представлена на рисунке 7. Верхнему по схеме положению центрального вывода соответствует максимальная громкость (24 дБ).
Усилитель имеет следующие основные режимы работы.

Рис. 7. Схема подключения резистора регулировки громкости

— On/Off — при кратковременном нажатии на кнопку On/Off усилитель переходит в спящий режим с пониженным энергопотреблением, при этом зажигается как внешний, так и расположенный на плате светодиод VD4 (см. рис. 5). При повторном нажатии усилитель переходит в рабочий режим (зажигаются светодиоды уровня громкости, активируются другие кнопки).
— Mute — кратковременное приглушение звука при нажатии на кнопку Mute. Работа в режиме сопровождается миганием светодиодов уровня громкости.
 — Volume+ и Volume– — кнопки регулировки общего уровня громкости в пределах 100…24 дБ. Кратковременное нажатие изменяет громкость на 1 дБ. При удержании одной из кнопок более 2 с происходит ускоренная регулировка громкости.
 Digital/Analog — кнопка выбора источника сигнала. Если светится одноименный светодиод — режим S/PDIF, иначе — выбран аналоговый вход.
В целом, несмотря на высокую надежность и неприхотливость усилителя, в ряде случаев возможно срабатывание защиты от перегрузок. Встроенная система контроля и управления защитой выходных усилителей ЗЧ U13, а также BM2071, подключаемых к разъемам XS7-XS10, основана на анализе получаемых от них информационных сигналов OTW и SD. Сигнал OTW принимает нулевое значение при перегреве выходных каскадов выше 125° С, а SD, в частности, при срабатывании защиты от электрических перегрузок. При получении сигнала перегрева (OTW) контроллер U15 плавно снижает громкость на выходе усилителя, тем самым предотвращая его дальнейший нагрев. Одновременно начинают кратковременно и периодически гаснуть светодиоды уровня громкости, сигнализируя о переходе усилителя в режим защиты от перегрева. При эксплуатации усилителя в тяжелых условиях работы возможно подключение внешнего вентилятора охлаждения радиатора к разъему XS2 (FAN). В режиме защиты от перегрева силовых каскадов на этом разъеме появляется напряжение 12 В/0,2 А. После того как силовой модуль перейдет в нормальный режим работы, процессор плавно вернет уровень громкости к установленному пользователем значению. При нормальной работе процессора (режим MUTE выключен) при появлении сигнала SD (выключение) от одного из оконечных усилителей процессор отключает выходные сигналы PWM на выходах и переходит в режим «Выключено». Как только сигнал SD примет высокий уровень, работа усилителя возобновится. Важно отметить, что все подключенные силовые модули усилителя переходят в режим защиты, независимо от того, с какого из них был получен сигнал перегрузки.
Выход сброса VALID2 (XS7.3-XS10.3) в момент включения устройства удерживается в активном состоянии (0 В).

Конструктивно усилитель выполнен на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита (см. рис. 8a, 8б).
Компактная конструкция предусматривает установку платы процессора сигналов усилителя BM2072 совместно с 4-мя платами усилителей ЗЧ блоков BM2071 внутри корпуса размером не менее 18×22×14см³ с вентиляционными отверстиями.
В случае крепления платы к металлическому корпусу следует предусмотреть наличие зазора между платой и корпусом во избежание коротких замыканий между ними. После сборки усилителя какой-либо наладки устройства не требуется.

Чтобы избавить Вас от рутинной работы по поиску компонентов и изготовлению печатной платы, МАСТЕР КИТ предлагает уже готовый усилитель D-класса 2×210 Вт BM2073.
Для получения максимальной мощности рекомендуется использовать шестиомные акустические системы!
Подключив к основной плате четыре дополнительных блока BM2071, Вы реализуете шестиканальный УМЗЧ для домашнего кинотеатра. Для его питания мы рекомендуем импульсные источники питания PW4873B ( 48 В, 7,3 А) — по одному на каждый блок.