Современные микросхемы УМЗЧ класса D

Современные интегральные УМЗЧ класса D совмещают, казалось бы, несовместимое: высокий КПД и низкий коэффициент нелинейных искажений. В настоящей статье описаны основное принципы работы усилителей класса D и приведено описание линейки микросхем УМЗЧ американской фирмы MPS (Monolithic Power Systems).

В последнее время в схемотехнике   усилителей   мощности (УМЗЧ) получили развитие два взаимоисключающих направления:

- улучшение субъективного качества воспроизведения звука, как правило, за счет уменьшения экономичности (КПД) усилителя;

- повышение экономичности усилителя и уменьшение его размеров при сохранении высоких качественных показателей.

Первое направление характерно использованием в выходных каскадах УМЗЧ мощных полевых транзисторов и радиоламп (Hi-End), работающих очень часто в режимах класса А.

Второе направление характерно для носимой и автомобильной звуковоспроизводящей аппаратуры. Именно в реализации этого направления широко используются усилители класса D, а в высококачественной звуковоспроизводящей стационарной аппаратуре класс D используется чаще всего в усилителях для сабвуфера. Всего существует пять основных классов режимов работы активных элементов (транзисторов или ламп).

Это режимы работы класса А, В, АВ, С и D. Вспомним их особенности.

Режим работы класса А
Активный элемент (транзистор или лампа) открыт весь период сигнала. Усилители мощности класса А вносят минимальные искажения в усиливаемый сигнал, по имеют очень низкий К11Д. Они используются в од-потактпых и двухтактных УМЗЧ для среднечастотных динамиков и твитеров, где особенно важно, чтобы уровень нелинейных искажений был низким. Усилители класса А - самые дорогие.

Режим работы класса В
Активный элемент (транзистор или лампа) открыт только один полупериод входного сигнала. Усилители класса в имеют высокий кпд. но и коэффициент нелинейных искажений у них заметно выше. Обычно используются в двухтактных УМЗЧ для срсднсчастотных динамиков и динамиков mid-bass.

Режим работы класса АВ
Активный элемент (транзистор или лампа) и этом режиме открыт один полупериод полностью и часть другого полупериода входного сигнала. Режим класса АВ - это нечто среднее между классами А и В. Усилители класса АВ имеют более высокий кпд. чем усилители класса А, но вносят в сигнал меньшие нелинейные искажения, чем усилители класса В. Это наиболее распространенный класс массовых УМЗЧ.

Режим работы класса С

Класс С -  это работа транзисторов при маленькой амплитуде напряжения запирания ниже, чем напряжение смещения. В этом случае амплитуда звукового сигнала меньше, чем напряжение смещения. В таком состоянии транзистор проводит только верхнюю часть положительной полуволны, что сильно искажает сигнал. Поэтому в аудио усилителях, этот класс не применяется. Такой режим работы транзисторов имеет высокий КПД (около 85%).

Режим работы класса D
В режиме работы класса D происходит преобразование входного сигнала в импульсы прямоугольной формы одинаковой амплитуды, длительность которых пропорциональна значению сигнала в каждый заданный момент времени (т.н. ШИМ — широтно-импульсная модуляция). Активные элементы выходного каскада при этом работают в ключевом режиме и имеют два состояния: транзистор или заперт, или полностью открыт. Усилители класса D имеют максимальный КПД, т.к. основные потери энергии па выходных мощных ключах происходят только в момент переключения, в открытом состоянии потери энергии минимальны и будут чем меньше, чем меньше сопротивление открытого ключа. Обычные усилители класса D имеют КПД более 90% и достаточно большой коэффициент нелинейных искажений (около 10%), по применение новых технологий (ноу-хау производителей) позволяет снизить коэффициент нелинейных искажений до долей процента. Это заметно расширило область применения класса D в современных УМЗЧ.

Основные принципы работы УМЗЧ класса D
Принципиальная схема простейшего УМЗЧ класса D показана на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема простейшего УМЗЧ класса D

 
Он состоит из широтно-импульсного модулятора (ШИМ) на транзисторе Q1, двухтактного мощного транзисторного ключа Q2, Q3 и фильтра нижних частот (ФНЧ), который отфильтровывает импульсные высокочастотные составляющие тока через громкоговоритель. Делитель па резисторах R1 и R2 задаст напряжение смещения Q1 и симметрию всей схемы. R3 - резистор нагрузки транзистора Ql. R4, С4 - цепь эмиттерной термостабилизации этого транзистора. С1 - конденсатор фильтра питающего напряжения. C5, R5, L1. C6 - фильтр нижних частот (ФНЧ). С7 - разделительный конденсатор. В состав усилителя класса D входит также генератор треугольного или пилообразного напряжения.

Частота  работы  этого  генератора лежит, как правило, в пределах 200...600 кГц. Размах «пилы» от генератора и коэффициент усиления каскада на Q1 выбраны так, чтобы выходные транзисторные ключи Q2 и Q3 открывались попеременно до насыщения при переходе напряжения «пилы» через ноль. Эпюры напряжений, поясняющие работу этой схемы. показаны па рис. 2. До момента времени А (см. рис. 2) звуковой сигнал па входе отсугствует. «Пила* абсолютно симметрична, и па эмиттерах транзисторов Q2 и Q3 образуются симметричные прямоугольные импульсы -меандр. При подаче па вход усилителя сигнала НЧ «пила» будет смещаться вверх или вниз. Изменятся моменты отпирания транзисторов и, как следствие, длительность выходных импульсов и пауза между ними (см. рис. 2). Эти параметры будут изменяться по закону входного низкочастотного (звукового) сигнала. Полученный импульсный сигнал с переменной скважностью называют широтно-имиульспым, или ШИМ-сигиалом, а процесс его получения — широтпо-импульсной модуляцией (ШИМ). ШИМ-сигпал содержит НЧ-составляющую. по форме повторяющую модудирующий сигнал. Если ШИМ-сигнал с выхода транзисторных ключей пропустить через ФНЧ, то он пропустит эту составляющую на громкоговоритель и подавит ВЧ-составляющие ШИМ-сигпала. За счет неполного подавления ВЧ-составляющсй переменное напряжение на громкоговорителе будет несколько изрезанным, что можно увидеть па увеличенном фрагменте к нижнему графику рис. 2. Изрезанность уменьшается с увеличением частоты генератора ШИМ, улучшением качества ФНЧ и применением некоторых ноу-хау, которые тщательно оберегают фирмы -производители микросхем усилителей класса D.

 
Усилители класса D на биполярных транзисторах ушли в прошлое. Основой современного УМЗЧ класса D являются мощные ключи па МДП-транзисторах, отличающиеся высоким быстродействием и низким сопротивлением канала в открытом состоянии. При использовании таких транзисторов в ключевом режиме достигается высокий КПД. Две практические схемы УМЗЧ класса D на МДП-транзисторах и операционном усилителе приведены в статье [1].

Настоящий бум в использовании режима работы класса D в УМЗЧ начался с появления таких специализированных микросхем, как ZXCD1000 фирмы Zeiex |2|, и ряда других. Эти микросхемы называют драйверами усилителей класса D. Они содержат ШИМ с генератором «пилы» частотой 2200 кГц и обеспечивают управление внешними ключами на МДП-траизисторах. Многие из этих драйверов могут управлять четырьмя внешними выходными ключами па МДП-транзисторах, включённых мостом.

 
Следующим этапом в развитии УМЗЧ класса D стало создание микросхем, в которые интегрирован не только драйвер, но и выходные ключи па МДП-траизисторах. Именно к таким микросхемам относятся МР7720, МР7731 и МР7781 фирмы MPS (Monolithic Power Systems). Все они монофонические. О номинальной выходной мощности говорит предпоследняя цифра в наименовании: МР7720 - 20 Вт, МР7731 - 30 Вт, МР7781 - 80 Вт. Пиковая выходная мощность этих микросхем вдвое больше. Рассмотрим особенности и схемы включения каждой из них.

Микросхема УМЗЧ МР7720
Микросхема МР7720 выпускается в корпусах SOIC8 (для поверхностного монтажа) и PDIP8, которые имеют по 8 выводов и одинаковую цоколёвку, или, как сейчас принято говорить, распиповку. УМЗЧ на этой микросхеме имеет поминальную мощность 20 Вт при сопротивлении нагрузки 4 Ом и напряжении питания 24 В. Диапазон воспроизводимых частот -20 Гц....20 кГц. Он имеет КПД 90% при нелинейных искажениях не более 0.1% для всего диапазона частот и выходной мощности 1 Вт (0,06...0,07% для частоты 1 кГц). Напряжение питания 7,5...24 В. В микросхему встроены дна выходных ключа па МДП-транзисторах, которые включены последовательно по питанию (полумост).

Рис. 3. Принципиальная схема УМЗЧ класса D на микросхеме МР7720

Типовая принципиальная схема УМЗЧ класса D па микросхеме МР7720 изображена па рис. 3. а назначение выводов згой микросхемы приведено в таблице 1.

Таблица 1. Назначение выводов микросхемы МР7720

Схема включения этой микросхемы очень напоминает ОУ или УМЗЧ на микросхемах, которые работают в привычных режимах классов А, В или АВ. Микросхема U1 МР7720 имеет дифференциальный вход (выводы 1 и 2), его положительный (неивертирующий) вывод в данной схеме используется как вход напряжения смещения, который задаёт режим микросхемы, а главное - симметрию схемы. Напряжение смещения на неивертирующем входе (вывод 1) должно быть равно половине напряжения питания, оно формируется делителем R3, R2. Конденсатор С2 блокирует этот вывод по переменному напряжению. Следует заметить, что асимметрия схемы может привести к увеличению нелинейных искажений и даже к перегреву одного из выходных ключей и выходу микросхемы из строя. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход микросхемы (вывод 2) через разделительный конденсатор С1 и ограничивающий резистор R1. В позиции С1 фирма - разработчик микросхемы рекомендует использовать керамический конденсатор типов NPO, X7R, X5R или эквивалентных им типов. Коэффициент усиления по напряжению микросхемы определяется соотношением номиналов резисторов цепи ООС R1 и R4 и может быть рассчитан по формуле:
KU=R4/R1.

 
Для повышения размаха выходных импульсов микросхемы используется известная по обычным двухтактным бестрансформаторным усилителям схема повышения КПД с конденсатором вольтодобавки С7, который включён между выходом (выводом 7) и входом цепи вольтодобавки (вывод 5). Ёмкость конденсатора С7 выбирается в пределах 0,1...1 мкФ. Для защиты внутренних цепей микросхемы от перегрузки параллельно С7 подключён стабилитрон D2 с напряжением стабилизации 6,2 В. Для выделения усиленного сигнала и подавления высокочастотных импульсных составляющих в нагрузке к выходу (вывод 7) подключён ФПЧ, состоящий из дросселя L1 и конденсатора С8. Конденсатор С9 - разделительный. Диод Шоттки D1 гасит индукционные токи и выбросы ЭДС, возникающие в L1 в моменты переключения выходных ключей, когда оба ключа заперты. Частота ШИМ-преобразования задаётся цепью обратной связи R4, СЗ, и при указанных на схеме номиналах она составляет 600 кГц. При большей частоте увеличиваются потери мощности, а при меньшей - нелинейные искажения. С4 - конденсатор ООС по высокой частоте. Конденсаторы Сб, С5 - развязывающие фильтра питания. Для устранения прохождения импульсной помехи по цепям питания конденсатор С5 должен быть расположен между выводами 6 и 8 микросхемы, причём как можно ближе к этим выводам. Упрощённо работу этого УМЗЧ можно объяснить следующим образом. Входной сигнал через Cl, R1 поступает на инвертирующий вход микросхемы (вывод 2). Это приводит к изменению длительности и скважности импульсов частотой 600 кГц на выходе микросхемы (вывод 7) по закону изменения моментального значения входного сигнала и к появлению в выходном сигнале усиленной НЧ-составляющей, повторяющей по форме входной сигнал, которая через ФНЧ L1, C8 и разделительный конденсатор С9 поступает на громкоговоритель. Добавить к этому можно только то, что входной и выходной сигналы противофазны.

Микросхема УМЗЧ МР7731

Микросхема МР7731 выпускается в корпусе TSSOP20F для поверхностного монтажа, который имеет 20 выводов и металлическую контактную площадку сверху для теплового контакта с радиатором. Номинальная мощность УМЗЧ на микросхеме МР7731 составляет 30 Вт при сопротивлении нагрузки 4 Ом и напряжении питания 16 В. Диапазон воспроизводимых частот 20 Гц..„20 кГц. КПД 90% при выходной мощности 5 Вт. Нелинейные искажения не более 0,1% для всего диапазона частот при выходной мощности 1 Вт. Напряжение питания 7,5 --.24 В. В микросхему' встроены четыре выходных ключа на МДП-транзисторах, которые включены мостом. Особенностью монофонических мостовых УМЗЧ является то, что они имеют два, как правило, равноценных усилительных канала с выходными ключами, которые включены полумостом. То есть микросхема МР7731 содержит два канала, близких по структуре к микросхеме МР7720. Соль в том, что эти каналы работают в противофазе, а нагрузка (громкоговоритель) подключена без разделительных конденсаторов между выходами этих каналов, т.к. постоянное напряжение на каждом из выводов выхода равно половине напряжения питания. Для противофазного управления обычно используется включение каналов методом «ведущий - ведомый» (Master - Slave), т.е. оба усилителя включены по входному сигналу последовательно (см. рис. 4).

Рис. 4. Упрощённая схема УМЗЧ с мостовым выходом (метод Master-Slave)

С1, С2 - разделительные конденсаторы. R1. R2-делитель напряжения сигналов, L1, СЗ и L2, С4-ФНЧ

Для такого включения оба канала должны быть инвертирующими усилителями. Сигнал на второй канал поступает с выхода первого через делитель Rl, R2 (см. рис. 4) или ограничивающий резистор.

 Рис. 5. Принципиальная схема УМЗЧ класса D на микросхеме МР7731

 
Типовая принципиальная схема УМЗЧ класса D на микросхеме МР7731 изображена на рис. 5, а назначение выводов этой микросхемы приведено в таблице 2.

Таблица 2

 
Разберёмся в назначении деталей УМЗЧ на микросхеме МР7731 по схеме (рис. 5). Напряжение смещения на неивер-тирующих входах обоих каналов (выводы 2 и 8), равное половине напряжения питания, формируется делителем R2, R5. Конденсатор 09 шунтирует эти выводы по переменному напряжению, а конденсаторы С54 и С41 задают частоты ШИМ-преобразования 1-го и 2-го каналов соответственно. Эти конденсаторы должны быть расположены как можно ближе к выводам, возле которых они нарисованы на схеме. С53 - конденсатор фильтра питания, а С55 и С42 -развязывающие конденсаторы, которые также надо располагать как можно ближе к выводам, возле которых они нарисованы. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход канала 1 (вывод 3) через разделительный конденсатор С35 и ограничивающий резистор R16. Коэффициент усиления по напряжению канала 1 микросхемы определяется соотношением сопротивлений резисторов цепи ООС R14hR16, а канала 2 - соотношением R44 и R34. ООС по ВЧ в канале 1 осуществляется через конденсатор С29. а в канале 2 - через С34. Конденсатор С37 - это конденсатор вольтодобавки канала 1, а С22 - конденсатор вольтодобавки канала 2. Они повышают КПД усилителя. Параллельно этим конденсаторам подключены стабилитроны D13 и D15 с напряжением стабилизации 6,2 В. Усиленный выходной сигнал звука выделяется в ФИЧ на выходах каналов 1 (L4, С47) и 2 (L3, С43) и поступает на громкоговоритель. ФИЧ подавляют высокочастотные импульсные составляющие ШИМ-сиг-нала на выходах микросхемы и не пропускают их в нагрузку. Диоды Шоттки D6, D8 гасят индукционные токи и выбросы ЭДС, возникающие в катушках L4 и L3 в моменты переключения выходных ключей, когда все они запираются. Эти катушки должны быть рассчитаны на номинальный ток 2,6 А. Каждый из каналов имеет свой вход разрешения EN1 (вывод 6) и EN2 (вывод 10). При низком уровне напряжения на этих выводах микросхема будет находиться в дежурном режиме, а при высоком - в рабочем.

Микросхема УМЗЧ МР7781

Микросхема МР7781 выпускается в корпусе SOIC24 для поверхностного монтажа, который имеет 24 вывода и металлическую площадку сверху для теплового контакта с радиатором. Поминальная мощность монофонического УМЗЧ на микросхеме МР7781 80 Вт при сопротивлении нагрузки 4 Ом и напряжении питания 24 В. Диапазон воспроизводимых частот 20 Гц....20 кГц. КПД 95% при выходной мощности 80 Вт. Нелинейные искажения не более 0,1% для всего диапазона частот при выходной мощности 1 Вт. Напряжение питания 7,5 -.24 В. В микросхему встроены четыре выходных ключа на МДП-транзисторах, которые включены мостом. Микросхема МР7781 имеет два равноценных усилительных канала с дифференциальными входами и выходными МДП-ключами, которые включены полумостом. Микросхема содержит два канала усиления, каждый из которых заканчивается полумостом на МДП-транзисторах. Все это напоминает МР7731, но в отличие от этой микросхемы, в типовом включении МР7781 используется схема, которую можно назвать параллельно-последовательным включением каналов усиления (см. рис. 6). В этой схеме входной сигнал поступает сразу на входы обоих каналов усиления. Причём в одном канале он поступает на неинвертирующий вход, а в другом - на инвертирующий. Поэтому к верхнему и нижнему выводам громкоговорителя прикладываются одинаковые по амплитуде, но противофазные напряжения сигналов, что видно из графиков, показанных на схеме (рис. 6). Соотношения сопротивлений ограничивающего резистора R1 и резисторов делителей цепей ООС R2, R3, R4, R5 определяют коэффициент усиления схемы. Через делители R2, R3 и R4, R5 задаются также напряжения смещения на входах и осуществляются отрицательные обратные связи (ООС) по постоянному напряжению, которые стабилизируют режим каналов усиления, т.е. эти делители задают постоянные напряжения на выходах каналов, равные половине напряжения питания, и за счёт ООС поддерживают их неизменными.

Рис. 6. Упрощенная схема УМЗЧ с мостовым выходом (с параллельно-последовательным управлением)

С1 - разделительный конденсатор,
R1 - ограничивающий резистор,
R2, R3 и R4, R5 - делители цепей 00С по постоянному и переменному напряжению,
L1, С2 и L2, СЗ - ФНЧ

 Микросхема МР7781 имеет более сложную внутреннюю организацию, чем рассмотренные выше микросхемы. Это косвенно подтверждается количеством и назначением выводов микросхемы, что отражено в таблице 3.

Таблица 3. Назначение выводов микросхемы МР7781

 
Типовая принципиальная схема УМЗЧ на микросхеме МР7781 показана на рис. 7. Входной сигнал подаётся на выводы 5 и 18 микросхемы через ограничивающий резистор R20 и разделительный конденсатор С25. Резисторы R3, R5, R7, R17, R19, R21, R12, R8 и конденсаторы Сб, С24, С9, С15 входят в цепи ООС по постоянному и переменному напряжению. Эти цепи задают коэффициент усиления микросхемы и постоянные напряжения, равные половине напряжения питания, в средних точках, т.е. на выходах каналов мостового УМЗЧ (выводы 10 и 22 микросхемы). Конденсатор СЮ в канале 1 и С18а в канале 2 - конденсаторы вольтодобав-ки, которые необходимы для повышения КПД усилителя.

Рис. 7. Принципиальная схема УМЗЧ класса D на микросхеме МР7781

 LI, C2, L2, C2, C13, R2, C5, R18, C23 - это детали ФПЧ, которые пропускают на громкоговоритель сигнал звука и подавляют импульсные ВЧ-состав-ляющие сигнала ШИМ. Катушки ФПЧ L1 и L2 должны быть рассчитаны на номинальный ток 5 А. Оптимальная частота ШИМ-преобразования для микросхемы МР7781 составляет 400 кГц. Она определяется ёмкостью конденсатора СИ, который включён между выводами дифференциальных входов этой микросхемы (между соединёнными по два выводами 5, 18 и 4, 17). Гашение выбросов ЭДС и индукционных токов, возникающих в катушках ФНЧ L1 и L2 в моменты пе-реключения выходных ключей, когда все они заперты, осуществляется диодами Шоттки D1 и D5.

 
Каждый из каналов имеет вход разрешения (активный уровень низкий). Вывод 19 (SIIDN1) - это вход разрешения канала 1, а вывод 7 (SIIDN2) - вход разрешения канала 2. Эти выводы соединены вместе. Высокий уровень (сигнал запрета) формируется с помощью параметрического стабилизатора R6, D3. При этом уровне усилитель отключён и находится в режиме MUTE, который характерен малым током потребления (

 
Чтобы получить столь малый ток потребления в режиме MUTE, в микросхему встроены стабилизаторы питания низковольтной части и схема их коммутации. Сигналы управления этой схемы выводятся из микросхемы через выводы 1 (DR1) и 13 (DR2), а затем через коммутирующие диоды D2 и D4 поступают соответственно на выводы 20 (BS1) и 8 (BS2). Кроме того, в рабочем режиме высокий уровень управляющего сигнала с вывода 13 (DR2) открывает ключ на биполярном транзисторе Q1. Через этот транзистор напряжение питания поступает в точку соединения резисторов R1 и R11. У микросхемы МР7781 есть ещё четыре интересных вывода. Это выводы 16 (MOl), 24 (Ml), 6 (М02) и 12 (М2). MOl и М02 - это выходы широтно-импульсных модуляторов соответствующих каналов, a Ml и М2 - это входы выходных ключей микросхемы. Выводы МО и М с одинаковыми номерами соединены между собой. Кроме того, выходы MO1 и МО2 имеют открытый сток. Подтягивающие резисторы (резисторы внешней нагрузки), подключённые между этими выводами и напряжением питания на эмиттере транзистора Q1, - это известные уже резисторы R1 и Rl 1. C1 - конденсатор фильтра питания, а конденсаторы СЗ, С12, С16, С8, С10, С14 и С18 - развязывающие. Для улучшения развязки и уменьшения наводок их рекомендуется устанавливать как можно ближе к соответствующим выводам микросхемы. Для устранения характерного для УМЗЧ щелчка при включении в схему установлены конденсаторы С7 и С9.

 
Для обеспечения стабильности работы и повторяемости схемы резисторы R3, R5, R7, R17, R19, R21 и R12 должны иметь допуск 1%. Такой же допуск должен иметь и резистор R6.

 
Следует заметить, что все три микросхемы, представленные в этой статье, имеют встроенную температурную защиту и защиту от коротких замыканий по выходу. Основные особенности и параметры этих микросхем сведены в таблицу 4.

Таблица 4. Особенности микросхем УМЗЧ класса D фирмы NIPS

 
Коэффициент нелинейных искажений, указанный в таблице, достижим и гарантируется только на частоте 1 кГц при выходной мощности 1 Вт. С ростом частоты и мощности он повышается. Зависимость коэффициента нелинейных искажений микросхемы МР7720 от мощности (при частоте сигнала 1 кГц, напряжении питания 24 В и сопротивлении нагрузки 4 Ом) изображена на рис. 8а, а от частоты сигнала (при напряжении питания 24 В, сопротивлении нагрузки 4 Ом и мощности 19,6 Вт) - на рис. 8б.

Рис. 8. Зависимость коэффициента нелинейных искажений микросхемы МР7720:

а)  от мощности при частоте сигнала 1 кГц, напряжении питания 24 В и сопротивлении нагрузки 4 Ом;
б)  от частоты при напряжении питания 24 В, сопротивлении нагрузки 4 Ом и мощности 19,6 Вт

 
В заключение хочу заметить, что существует ещё несколько разновидностей усилителей с ШИМ. Во-первых, это усилитель    «класса    Т», широтно-импульсный модулятор которого меняет не только скважность, но и частоту выходного ШИМ-сигнала. Во-вторых, это так называемый усилитель «класса N», информацию о котором можно найти в статье [3]. Это также усилитель, работающий в ключевом режиме, но совмещённый с сетевым блоком питания.

 
Дополнительную информацию о микросхемах производства Monolithic Power Systems можно найти на сайте фирмы [4].

 Литература
1.  Савельев Е. Усилитель класса D для сабвуфера. Радио. 2003. № 5.
2.  Дайджест «Новая техника и технология». Радиохобби. 2001. № 2. С. 9.
3.  Калганов А. Автомобильный УМЗЧ с блоком питания. Радио. 2002. № 7. С. 20...22.
4.  monolithicpower.com

 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА  Октябрь 2004   Игорь Безверхний (г. Киев, Украина)