Схемотехника и микросхемы для современных УМЗЧ класса D

На протяжении двух десятков лет схемотехника УМЗЧ развивается в двух взаимоисключающих направлениях. Во-первых, это улучшение субъективного качества воспроизведения звука (как правило, за счет уменьшения КПД усилителя), а во-вторых — повышение экономичности (КПД) усилителя и уменьшение его размеров при сохранении высоких показателей качества звука.
В выходных каскадах усилителей первого типа используются мощные полевые транзисторы или радиолампы (Hi-End), работающие в линейном режиме — классе А или его модификациях.
Второе направление развивается главным образом в секторе носимой и автомобильной звуковоспроизводящей аппаратуры. Именно здесь широко используются усилители класса D. В высококачественной стационарной звуковоспроизводящей аппаратуре класс D также начал использоваться — чаще всего в усилителях для сабвуфера, где из-за малой полосы пропускания удается достичь весьма небольших искажений.

Заметно расширить применение УМЗЧ класса D позволило создание микросхем, содержащих не только драйвер, но и выходные ключи на МДП-транзисторах. Примером могут служить микросхемы серии MP77хх фирмы MPS (Monolithic Power Systems).
Всего на момент написания статьи таких микросхем было пять: MP7720, MP7722, MP7731, MP7781 и MP7782. На номинальную выходную мощность косвенно указывает предпоследняя цифра в наименовании микросхемы (см. табл. 1).

Напряжение питания всех микросхем – 7,5…24 В; эффективное напряжение входного сигнала – 1 В.

Исключением является микросхема MP7782, развивающая 50 Вт на нагрузке 6 Ом. Пиковая выходная мощность всех микросхем этой серии вдвое больше номинальной. В таблице 1 приведены также и другие важные парамет­ры микросхем MP77хх. Для примера рассмотрим подробнее УМЗЧ на микросхемах MP7722 и MP7782.

Область применения этой микросхемы — DVD-проигрыватели, домашние стереосистемы, мультимедийные ПК, телевизоры — как обычные, так и плоскопанельные (LCD и PDP).
Микросхема MP7722 выпускается в корпусе для поверхностного монтажа TSSOP20F, размеры которого вместе с выводами приблизительно равны 6,5 × 6,5 мм при высоте 1,2 мм. УМЗЧ на этой микросхеме имеет номинальную мощность 20 Вт при сопротивлении нагрузки 4 Ом и напряжении питания 24 В. Диапазон воспроизводимых частот — 20 Гц….20 кГц. Усилитель имеет КПД 90% при коэффициенте нелинейных искажений не более 0,1% для всего диапазона частот (при выходной мощности 1 Вт). В каждый канал микросхемы встроены по два выходных ключа на МДП-транзисторах, которые включены последовательно по питанию (полумостом). Принципиальная схема стереофонического УМЗЧ класса D на микросхеме MP7722 изображена на рисунке 1, а назначение деталей сведено в таблицу 2.

Рис. 1. Принципиальная схема стереофонического УМЗЧ класса D на микросхеме MP7722

Коэффициент усиления по напряжению любого канала микросхемы MP7722 так же, как и у операционных усилителей при инверсном включении, равен отношению сопротивлений резистора ООС и ограничивающего резистора на входе этого канала. AV1 и AV2 (именно так обозначены коэффициенты усиления по напряжению в документации фирмы MPS) для каждого из каналов можно рассчитать по формулам:

и

Знаки «минус» в этих формулах показывают, что выходные сигналы микросхемы противофазны входным.
Одна из особенностей микросхемы MP7722 — зависимость частоты ШИМ от напряжения питания и уровня сигнала. Поэтому определяющей при расчетах является частота ШИМ без входного сигнала (так называемая idle frequency). Она задается раздельно для каждого из каналов времязадающими конденсаторами (CINT1, CINT2) и резисторами ООС (RFB1, RFB2). Зависимость частоты ШИМ от напряжения питания микросхемы и номиналов ряда элементов схемы приведена в таблице 3.

Номера каналов в обозначении деталей в этой таблице не указаны.
Наличие у микросхемы MP7722 входов разрешения позволяет легко организовать дежурный режим и режим приглушения (MUTE). Для этого достаточно на выводы 6 (для приглушения — 10) подать потенциал менее 0,4 В. В нормальном режиме на этих выводах должно быть напряжение более 2 В.

Область применения этой микросхемы шире, нежели у MP7722. Кроме DVD-проигрывателей, домашних стереосистем, мультимедийных ПК и телевизоров, микросхема MP7782 может использоваться в сабвуферах. Она так же, как и MP7722, выпускается в корпусе для поверхностного монтажа TSSOP20F и имеет с этой микросхемой много общего, несмотря на то, что микросхема MP7782 — это монофонический УМЗЧ класса D с мостовым выходом. На нагрузке 6 Ом УМЗЧ на MP7782 способен развивать выходную мощность 50 Вт.
Учитывая, что МС MP7782 имеет мостовой выход, можно говорить (см. [1]), что она имеет два канала усиления (УМЗЧ), работающих в противофазе. Наличие двух каналов усиления в MP7782, тот же корпус и похожая цоколевка сближает эту микросхему с рассмотренной выше MP7722. Принципиальная схема монофонического УМЗЧ класса D на этой микросхеме показана на рисунке 2.

Рис. 2. Принципиальная схема монофонического УМЗЧ класса D на микросхеме MP7782

Сравнивая эту схему со схемой УМЗЧ на микросхеме MP7722 (см. рис. 1), легко разобраться в назначении деталей. Частота ШИМ в отсутствие входного сигнала здесь так же зависит от напряжения питания (VDD), емкостей конденсаторов C4, C10 и C13 и сопротивлений резисторов R1, R3, R4 и R8. При этом времязадающим конденсатором считается C4. Емкостью этого конденсатора задается оптимальное значение частоты ШИМ без входного сигнала (400…600 кГц) при номинальных емкостях конденсаторов C10, C13 в пределах 1…2,2 пФ.

В микросхемах УМЗЧ класса D третьего поколения, выпускаемых Texas Instruments, используется технология (фирменное ноу-хау), которая позволяет значительно снизить амплитуду и длительность импульсов ШИМ между выходами, а значит, существенно уменьшить габариты дросселя ФНЧ, а в большинстве случаев отказаться от него совсем. В чем суть этого ноу-хау?
Для ответа на этот вопрос рассмот­рим основные принципы построения и работы УМЗЧ класса D третьего поколения. Во-первых, такой усилитель должен иметь мостовой выход (т.е. иметь два выхода — прямой и инверсный). Во-вторых, сигналы звука на выходах (прямом и инверсном) должны быть противофазны. И, наконец, главное: импульсные сигналы ШИМ на этих выходах должны быть синфазны. Последнее достигается практически только в режиме покоя (без сигнала).
Упрощенная схема УМЗЧ класса D с мостовым выходом без ФНЧ показана на рисунке 3.

Рис. 3. Упрощенная  схема  УМЗЧ класса D с мостовым выходом без ФНЧ

Он содержит два выходных усилителя (канала), НЧ-сигналы на выходах которых имеют одинаковый размах, но противоположные фазы. В каждом канале имеется свой ШИМ. При этом прямоугольные сигналы на выходе схемы в режиме покоя синфазны или имеют небольшой фазовый сдвиг (см. рис. 4).

Рис. 4. Эпюры напряжений и выходного тока УМЗЧ класса D с мостовым выходом без фильтра в режиме покоя (вверху) и при положительном мгновенном значении НЧ-сигнала (внизу)

Синфазность импульсов ШИМ на выходах достигается с помощью инвертора (см. рис. 3) с коэффициентом усиления по напряжению, равным 1 (KU = 1). В результате, на громкоговоритель в режиме покоя в худшем случае поступают симметричные противофазные импульсы малой длительности (см. рис. 4). Для их сглаживания обычно достаточно собственной емкости и индуктивности громкоговорителя. Ток нагрузки в режиме покоя в схеме на рисунке 3 заметно ниже, чем в обычном мостовом УМЗЧ класса D. В режиме усиления входного НЧ-сигнала звука ШИМы работают в противофазе, т.е. если длительность импульсов на выходе одного ШИМ увеличивается, то на выходе другого уменьшается, и наоборот (см. рис. 4). Это приводит к асимметрии импульсов, прикладываемых к нагрузке, а значит, к появлению в токе громкоговорителя составляющей, величина которой зависит от разности длительностей импульсов ШИМ-1 и ШИМ-2. Эта составляющая меняется по закону входного НЧ-сигнала звука и будет преобразовываться громкоговорителем в акустические колебания. Импульсная составляющая сглаживается индуктивностью и емкостью громкоговорителя. Только в некоторых случаях в ФНЧ для очень мощных усилителей может потребоваться дополнительный дроссель с небольшой индуктивностью. Иногда для этих целей достаточно на соединительные провода или перемычки между мостовым выходом микросхемы надеть ферритовые трубочки («бусинки»).
Описанное ноу-хау используется в микросхемах семейства TPA20хх (таких, как TPA2000D1, TPA2010D1, TPA2012D2, TPA2013D1, TPA2032D1 и т.п.). Эти микросхемы — не очень мощные, но имеют малые габариты и высокий КПД. Они предназначены для переносной аппаратуры, оргтехники, электронных игрушек и подобных малогабаритных устройств с автономным питанием. Эти микросхемы можно встретить также в сотовых телефонах, коммуникаторах (PDA), ноутбуках, устройствах GPS и другой аппаратуре с батарейным питанием.
Одна из последних разработок Texas Instruments — микросхема УМЗЧ TPA2013D1. Рассмотрим ее подробнее.

Микросхема TPA2013D1 рассчитана на применение в носимых (мобильных) устройствах с батарейным питанием и имеет встроенный повышающий преобразователь, который позволяет поддерживать в нагрузке постоянную мощность при значительном изменении напряжения питания.
Так, при питании от литий-ионных аккумуляторов с напряжением от 2,3 до 4,8 В УМЗЧ может поддерживать постоянную выходную мощность 1,5 Вт. При напряжении питания 3,6 В усилитель на TPA2013D1 развивает мощность 2,7 Вт на нагрузке 4 Ом или 2,2 Вт на нагрузке 8 Ом. Микросхема имеет КПД 85%. Диапазон напряжения питания (VDD) — от 1,8 до 5,5 В.
Микросхема TPA2013D1 выпускается только для поверхностного монтажа в корпусах QFN размером 4 × 4 мм с 20 плоскими выводами (TPA2013D1RGP) или WCSP размером 2,275 × 2,275 мм с 16 шариковыми выводами (TPA2013D1YZH). Максимальная выходная мощность микросхем в корпусах QFN и WCSP заметно различается и зависит от температуры окружающей среды (см. табл. 4).

Рассмотрим работу микросхемы по ее функциональной схеме (см. рис. 5) и принципиальной схеме монофонического УМЗЧ класса D на TPA2013D1, которая изображена на рисунке 6.

Рис. 5. Функциональная схема микросхемы TPA2013D1

Рис. 6. Принципиальная схема монофонического УМЗЧ класса D на микросхеме TPA2013D1

Встроенный повышающий преобразователь (Boost Converter) — это второе ноу-хау Texas Instruments, используемое в TPA2013D1. Преобразователь обеспечивает следующие полезные особенности УМЗЧ:
– повышенное напряжения питание выходного каскада УМЗЧ;
– стабилизацию этого напряжения.
Для работы повышающего преобразователя (Boost Converter) микросхемы в качестве нагрузки силового ключа (МДП-транзистора) необходим внешний дроссель L1, который подсоединен между выводами VDD и SW (см. рис. 6). Когда МДП-транзистор силового ключа отпирается, через L1 протекает нарастающий ток и в дросселе возникает ЭДС, препятствующая нарастанию этого тока. Дроссель L1 накапливает энергию. Внутри микросхемы (см. рис. 5) между выводами SW и VCCOUT включен еще один ключ, который выполняет функцию коммутируемого выпрямителя. Он будет заперт, пока открыт силовой ключ преобразователя. Когда силовой ключ запирается, ЭДС в дросселе меняет полярность и суммируется с напряжением питания VDD. При этом ключ коммутируемого выпрямителя открывается, и повышенным суммарным напряжением заряжается накопительный конденсатор C2. Это напряжение (VCC) поступает на вывод VCCIN и используется для питания выходного мостового каскада усилителя класса D микросхемы.
Для стабилизации напряжения VCC преобразователь (Boost Converter) содержит компаратор с источником опорного напряжения и регулирующий элемент (см. рис. 5). Вход компаратора — это вывод VCCFB. Напряжение ООС на этом выводе задается внешним делителем R2, R1. Благодаря ООС выходное напряжение преобразователя VCC не зависит от входного напряжения питания VDD и определяется только соотношением сопротивлений резисторов делителя:

Производитель рекомендует использовать R2 сопротивлением 500 кОм. Легко подсчитать, что в схеме на рисунке 6 напряжение питания (VCC) выходного каскада микросхемы равно 5,5 В.
При необходимости повышающий преобразователь можно отключить, подав на вход SDb низкий уровень напряжения (менее 1,3 В). Следует заметить, что преобразователь будет работать только тогда, когда на этот вход подан высокий уровень напряжения (более 3,5 В).
Усилитель микросхемы TPA2013D1 имеет дифференциальный вход (выводы IN+, IN–) и мостовой выход (выводы VOUT+, VOUT–). Коэффициент усиления микросхемы задается напряжением на входе GAIN. Если этот вывод оставить не подключенным (floating input) или подать на него 0,8 В (в диапазоне 0,7…1 В), то коэффициент усиления по напряжению будет равен шести (15,5 дБ). При постоянном напряжении 0…0,35 В на этом входе коэффициент усиления будет равен двум (6 дБ), а если на вход GAIN подать напряжение более 1,35 В, то коэффициент усиления микросхемы составит 10 (20 дБ).
Вход SDd микросхемы используется для включения и выключения усилителя. Выключение осуществляется низким уровнем напряжения (менее 1,3 В), включение — высоким (более 3,5 В). Режимы работы микросхемы TPA2013D1 в зависимости от логических уровней напряжений на входах SDb и SDd приведены в таблице 5.

* L – низкий; H – высокий.

Для упрощения разработки конструкций на микросхеме TPA2013D1 фирма Texas Instruments, кроме типовых принципиальных схем, дает ряд рекомендаций. Наиболее полезные из них сведены в таблицу 6.

Еще одна особенность микросхемы TPA2013D1 — возможность питания выходным напряжением повышающего преобразователя этой микросхемы (VCC) внешних устройств, например второго УМЗЧ. Принципиальная схема стереофонического УМЗЧ класса D на микросхемах TPA2013D1 и TPA2032D1 показана на рисунке 7. В этой схеме напряжение питания 4,5 В поступает на микросхему TPA2032D1 с выхода VCCOUT МС TPA2013D1. Величина этого напряжения задана сопротивлением (62,5 кОм) нижнего плеча R1 делителя напряжения преобразователя микросхемы TPA2013D1.
Дополнительную информацию о микросхеме TPA2013D1 можно найти в [6].

TDA2032D1 — это микросхема УМЗЧ класса D мощностью до 2,7 Вт с фиксированным коэффициентом усиления по напряжению 2 (6 дБ). По основным параметрам она близка к УМЗЧ (без повышающего преобразователя) TPA2013D1, когда вывод GAIN этой МС подключен к корпусу (земле). Именно поэтому она применена как усилитель мощности второго канала в стереофоническом усилителе в схеме на рисунке 7.

Рис. 7. Принципиальная схема стереофонического УМЗЧ класса D на микросхемах TPA2013D1 и TPA2032D1

Микросхема TPA2032D1 изготавливается в корпусе для поверхностного монтажа WCSP размером 1,5 × 1,5 мм с девятью шариковыми выводами.
Компания Texas Instruments выпустила еще две версии УМЗЧ с фиксированным коэффициентом усиления 3 (9,5 дБ) — TPA2033D1 и 4 (12 дБ) — TPA2034D1. Все остальные параметры и конструктивные особенности этих микросхем совпадают с TPA2032D1.
Кроме того, Texas Instruments производит микросхему TPA2010D1, которая по выводам совпадает с микросхемами TPA2032D1, TPA2033D1, TPA2034D1 и отличается только нефиксированным коэффициентом усиления. Схема включения также несколько отличается от TPA203хD1 — тем, что имеет два дополнительных ограничивающих резистора (R1 и R2) на входах. Сопротивление этих резисторов одинаково и задает коэффициент усиления (GAIN) микросхемы TPA2010D1. Рассчитать сопротивление этих резисторов можно по формуле:

Для сохранения симметрии схемы очень важно, чтобы сопротивления этих резисторов различались не более чем на 1%. Сами резисторы могут иметь допуск до 5%, но должны быть подобраны с указанной точностью.
Дополнительную информацию о микросхемах производства Monolithic Power Systems можно найти на сайте фирмы [9], а о микросхемах фирмы Texas Instruments — на сайте [10].