Микросхемы для построения импульсных усилителей звуковых частот в современной звуковой и видеоаппаратуре

В статье рассмотрены основные характеристики серийных микросхем импульсных усилителей звуковых частот и особенности их применения.

В последнее время сфера применения импульсных усилителей звуковых частот (ИУ) существенно расширилась. Они применяются втелевизорах, мобильных телефонах и «гаджетах», CD/DVD-ресиверах и домашних кинотеатрах, автомобильной аппаратуре и профессиональных концертных усилителях большой мощности. Это обусловлено тем, что ИУ существенно пре-жх:ходят линейные УМЗЧ по КПД и в ряде случаев не требуют громоздких тсплоотводов. Высокая эффективность усилителей особенно важна для мобильных устройств, питающихся от аккумуляторов.
Основой большинства современных ИУ являются  специализированные микросхемы. С целью выявления наиболее широко используемых типов микросхем для ИУ и их производителей автором был выполнен анализ схемотехнических решений десятков моделей ресиверов, мини- и микросистем и систем домашних кинотеатров, выпущенных в 2002-2007 гг. В результате выяснилось, что импульсные усилители средней и большой мощности в звуковых трактах аппаратуры перечисленных категорий, наряду с традиционными усилителями, применяют фирмы JVC, LG, Philips, Samsung, Sony и некоторые другие. Реализованы ИУ в основном на специализированных интегральных микросхемах ведущих фирм (NSC, NXP, STM, TI и ONS), а так-же «полупроводникового» отделения фирмы Sony. Микросхемы для ИУ, особенно для мобильных применений, представлены в каталогах 2008 г. и других фирм.
Схемотехника ИУ весьма разнообразна. Кроме усилителей в классе D существуют и другие, в том числе с патентованными технологиями DDX, UcD, Digital Power Processing, Pure-PathTM и т.д. Нередко для подобных устройств используется термин Digital Amplifiers, хотя реально звуковые сигналы в них преобразуются не в цифровую, а в импульсную форму, т.е. являются дискретно-аналоговыми. Тем не менее, отнесение некоторых ИУ к классу цифровых возможно, поскольку в ресиверах CD/DVD с ИУ, выполненных по технологии DDX, не используются ЦАП, а при воспроизведении дисков цифровые звуковые сигналы подаются на преобразователи кода во временной интервал. Технология DDX запатентована фирмой Apogee; микросхемы DDX на основе лицензионного соглашения выпускает фирма STM и, возможно, другие производители. В частности, фирма Sony в 2004-2007 гг. выпустила ряд моделей CD/DVD/SACD-ресиверов, в которых отсутствует ЦАП перед ИУ, однако ссылки на патенты фирмы Apogee в документации отсутствуют, а структура микросхем не раскрывается. Схемотехника усилителей в классе D базируется в основном на широтно-им-пульсной модуляции, реже используется одноразрядная дельта-сигма-модуляция. В рассмотренной автором аппаратуре с ИУ в основном использованы микросхемы фирм NXP (TDA8920/8924/8926/8927), STM (STA501/502/ 505/506) иТ1 (SAT5110/ 5 И 2/5142/ 5508); фирма Sony, как правило, использует ИС собственного производства (CXD9702/9750/9774/9775/9883). Некоторые модели микросистем Philips базируются на ИУ, построенных на дискретных элементах.
В каталоге фирмы NXP на 2008 г. представлены следующие микросхемы для импульсных усилителей: TDA8920/B/C - усилители мощности в классе D с выходной мощностью 2 х 80/100/110 Вт (2002-2008 гг.); TDA8922/B - 2x25/50 Вт (2003-2004 гг.); TDA8924 - 2х 120 Вт (2006 г.); TDA8925 -2 х 15 Вт или 2 х 25 Вт (2004 г.); TDA8926/TH -  2 х  50 Вт (2002  г.); TDA8927/TH 2 х 80 Вт (2002 г.); TDA8928-2 х 10 Вт или 2x20 Вт (2004 г.); TDA8929T - контроллер ИУ в классе D (2001 г.); TDA8931 - компаратор с выходной мощностью 20 Вт (2005 г.); TDA8932/B - усилитель мощности в классе D (2006 г.); TDA8933 - усилитель мощности в классе D (2007 г.); TFA9810 - компаратор с выходной мощностью 2 х 12 Вт (2008 г.).
Микросхема TDA8920 впервые выпущена в 1998 Г. в корпусах DBS 17Р и HSOP20 (под маркой Philips Semiconductor). В 2002 г. она была модернизирована - увеличена выходная мощность до 2x80 Вт, улучшены некоторые параметры, корпус заменён на HSOP24 (версия SOT566-3). Основные параметры микросхемы TDA8920 представлены в таблице.

Основные параметры микросхем для ИУ звуковых частот

Источниками информации для таблицы послужили официальные листы данных производителей (data sheets) на каждый тип микросхемы. Значения ряда параметров в них нередко измерены при различных внешних факторах (сопротивления нагрузки, уровень искажений, частота и т.п.), поэтому для более корректного сравнения микросхем между собой следует использовать их листы данных.
Типы усилителей: PA (Power Amplifier) - полный усилитель мощности; PS (Power Stage) - оконечный каскад усилителя мощности; PC (Power Comparator) - мощный одиночный компаратор St; BA (Stereo full-bridge audio amplifier) - стереофонический мостовой усилитель. Сокращениями в таблице обозначены: S-тоже значение, что и выше; N - параметр не нормирован; D - параметр можно определить по графикам в листах данных.
Свойства цифровых усилителей фирмы STM (STA...) списываются набором параметров, существенно отличающимся от приведённого в таблице, поэтому для них приведены только некоторые основные параметры. Параметр Urn соответствует выходному уровня шума у усилителей NXP и приведённому ко входу у усилителей STM (параметр eN - total input noise).

Рис. 1. Принципиальная схема звукового тракта DVD ресивера PHIUPS-LX-3600D
0SC - задающий генератор; PWM MOD - ШИМ-модулятор; INP STAGE - входной каскад; TEMP SENSOR - датчик температуры

На рисунке 1 приведена схема одного из ИУ (усилители фронтальных каналов) DVD-ресивера PHILIPS-LX-3600D (2003 г.). Микросхема TDA8920 состоит из двух одинаковых каналов, в состав которых входят: входные каскады (INP STAGE), широтно-импульс-ные модуляторы (PWM), схемы управления (CTRL & HAND-SHAKE), выходные ключи (DRIVER HIGH/LOW). Общими узлами являются: генератор треугольного напряжения (OSC), схема защиты от перегрузок и перегрева (TEMP SENSOR/CURRENT PROT) и схемы управления (MODE, STABI, MANAGER). Генератор треугольного напряжения может работать в режиме автоколебаний, в этом случае вывод 7 микросхемы должен быть соединён с выводами 1, 12 (Vssa) через резистор Rose и конденсатор Cose. Фирмой рекомендованы номиналы R_OSC = 30 кОм, С_OSC = 220 пФ; при этом частота генерации составляет порядка 350 кГц. В режиме внешней синхронизации резистор и конденсатор отключают, а на вывод 7 микросхемы подают тактовый сигнал размахом 3...5 В. В рассматриваемом ресивере используется внешний тактовый генератор 301,35 кГц (или 350 кГц).

Входные парафазные сигналы подаются на выводы 9,8 и 5,4 микросхемы, где преобразовываются в импульсные. Выходные ШИМ-сигналы ИУ с выводов 16, 21 через ФНЧ 2-го порядка с частотой среза около 50 кГц. поступают на акустические системы. Напряжения питания V_dd, V_ss ± 28 В подаются на соответствующие выводы микросхемы через высокочастотные дроссели (BEAD). Весь ИУ с целью снижения высокочастотных излучений полностью экранирован.
Микросхема TDA8924 (ТН) по структуре и назначению выводов не отличается от TDA8920; их корпуса также одинаковы. Параметры микросхемы TDA8924 приведены в таблице.
Микросхема TDA8932 является высокоэффективным ИУ в классе D. В качестве выходных ключей применены диффузионные МОП-транзисторы (Diffusion Meial Oxide Semiconductor). В стереофоническом режиме возможно получение выходной мощности 2 х 15 Вт на нагрузке 4 Ом без использования теплоотвода (в мостовом включении BTL мощность составляет 30 Вт). Однополярное напряжение питания составляет 10...36 В, двух-полярное ±(5— 18) В. Возможна работа с внутренним и внешним задающими генераторами. Микросхема предназначена для использования в телевизорах и мониторах, в системах мультимедиа, беспроводных акустических системах, мини- и микросистемах и т.п. Основные параметры ИС приведены в таблице.

Рис. 2. Структура и нумерация выводов микросхемы TDA8932

Структура и нумерация выводов микросхемы TDA8932 приведены на рисунке 2. В состав ИС входят: задающий генератор (OSCILLATOR); входные дифференциальные усилители 1, 2; широтно-импульсные модуляторы (PWM MODULATOR); узлы управления (CTRL); предварительные импульсные усилители (DRIVER HIGH/LOW); силовые ключи 3-6; блок защиты (PROTECTIONS: OVP, ОСР, ОТР, UVP, TF, WP); устройство управления режимами (MODE, MENAGER); стабилизаторы на напряжения   11   В,   5   В   (Regulator 11V/5V), источник образцового напряжения Vdd/2.

Рис. 3. Типовое включение микросхемы TDA8932

Типовое включение микросхемы в стереофоническом режиме с однопо-лярным питанием (выводы Vssa, Vssd, Vsspl, Vssp2 соединены с корпусом) показано на рисунке 3. Входные парафаз-ные звуковые сигналы левого и правого каналов подаются на выводы 2, 3 и 14,15 соответственно. Внутренний генератор треугольного напряжения работает в режиме автоколебаний, вре-мязадающая цепь Rose, Cose, подключённая к выводу 10, обеспечивает частоту- генерации порядка 320 кГц. При использовании в одном устройстве нескольких микросхем рекомендуется одну из них использовать в качестве ведущей (Master mode), остальные - в ведомом режиме (Slave mode).

При этом выводы 31 (OSCIO) всех микросхем соединяют между собой; у ведомых микросхем выводы 10 соединяют с выводами 16 (Vssd).
Режимы работы ИС определяются уровнями управляющих напряжений на выводах 6 (POWERUP) и 5 (ENGAGE). В дежурном режиме (Sleep) в обеих цепях напряжение должно быть менее 0,8 В, в режиме приглушения (Mute) на выводе 6 - от 2 до 6 В, на выводе 5 - менее 0,8 В; в рабочем режиме на обоих выводах должно быть напряжение от 3 до 6 В. Получение минимальных искажений при заданной выходной мощности ИУ возможно при правильном выборе напряжения источника питания. На рисунке 4 приведены зависимости выходной мощности микросхемы в стереорежиме от напряжения питания при различных сопротивлениях нагрузки и общих гармонических искажениях (рис. 4а - THD + N = 0,5%, рис. 4б-10%).
Для получения плоской АЧХ ИУ на выходе устанавливают ФНЧ Батерворта 2-го порядка; параметры элементов фильтра определяются сопротивлением нагрузки. Изготовителем ИС рекомендованы следующие номиналы пассивных компонентов Liс, Clc: при Rн = 4 Ом - 22 мкГн, 680 пФ, при R_H = 6 Ом - 33 мкГн, 470 пФ; Rн -8 Ом - 47 мкГн, 330 пФ (стереорежим). При указанных значениях верхняя граничная частота ИУ по уровню -3 дБ составляет 50 кГц. Нижняя граничная частота определяется значением ёмкости конденсаторов С_SE- 20 Гц по уровню -3 дБ при работе в стереорежиме обеспечивается при С_SE = 2200 мкФ (Rн = 4 Ом), 1500 мкФ (Rн = 6 Ом), 1000мкФ(Rн = 8Ом).
Микросхема TDA8933 отличается от TDA8932 меньшей выходной мощностью, 2 х 10 Вт в однофазном режиме и 1 х 20 Вт в мостовом режиме; структура, назначение и нумерация выводов совпадают. Основные параметры микросхемы TDA8933 приведены в таблице.
Микросхема TFA9810 является мощным сдвоенным компаратором, предназначенным для использования в усилителях, работающих в классе D, и «цифровых» усилителях (DDX и т.п.). В отличие от рассмотренных выше микросхем (см. рис. 2), в структуру TFA9810 не включены генератор треугольного сигнала, ШИМ и входные аналоговые усилители. На входы микросхемы можно подавать как ШИМ-сигналы, так и аналоговые звуковые сигналы. Структура и нумерация выводов микросхемы приведены на рисунке 5. В состав микросхемы входят: компараторы (COMPARATOR 1, 2) входных импульсных сигналов, устройство управления (REFERENCE) и «теплоотводящая структура» (HEAT SPREADER), назначение остальных узлов - аналогичное.

Рис. 5. Структура и нумерация выводов микросхемы TFA9810

Режимы работы ИС, определяемые уровнем напряжения на выводе 6 (SO/OL), задаёт устройство управления (REFERENCE). При соединении вывода 6 с цепью Vssd HW (корпус) микросхема работает в режиме автоколебаний (SO), а на входы компараторов следует подавать аналоговые звуковые сигналы. При работе с отключённым выводом 6 микросхема переходит в режим с разомкнутой обратной связью, а на входы следует подавать ШИМ-сиг-налы. Напряжение на выводе 7 (ENABLE) задаёт рабочий (более 3 В) или дежурный (менее 0,8 В) режимы. При работе ИС в режиме автоколебаний к выводу 8 (CDELAY) подключается вре-мязадающий конденсатор. Выводы 1, 16, 17, 32 (Vssd HW) ИС должны быть соединены с фольгированными участками печатных, при этом необходимость в специальном теплоотводе отпадает. Основные параметры микросхемы TFA9810 приведены в таблице.

Рис. 6. Типовое включение микросхемы TFA9810

Типовое включение микросхемы TFA9810 с однополярным источником питания показано на рисунке 6, Параметры выходных ФНЧ даны для сопротивления нагрузки 4 Ом (совпадают с параметрами ФНЧ для микросхем TDA8932/8933). Рекомендованные катушки индуктивности L3 -L6: 8RDY TOKO A7040HN-220M, 11RHBP TOKO A7503CY-220M фирмы Toko или 7311NA-220M фирмы Saga mi. Параметры помехоподавляющих дросселей LI, L2: сопротивление на постоянном токе менее 0,5 Ом и более 80 Ом на частоте 10 МГц (например, SMD1206 фирмы Wurth Elektronik).
В каталоге фирмы STM на 2008 г. представлены микросхемы для ИУ двух групп: усилители в классе D и цифровые усилители, выполненные по технологии DDX. К усилителям в классе D относятся TDA7480-7482, TDA7490 и TDA7491. В группу цифровых усилителей входят STA500/505/506/508/515-518.

Микросхема TDA7490 (2005 г.) является сдвоенным ИУ в классе D, выполнена в корпусе Flexiwatt 25 и предназначена для использования в телевизорах и малогабаритной звуковой аппаратуре. Структура и типовая схема, включения в стереорежиме приведена на рисунке 7. В состав микросхемы входят предварительные аналоговые усилители (PREAMPLEFIER1/2), генераторы треугольного напряжения (INTEGRATOR 1 /2), ШИМ-модуляторы (PWM-stagel/2) и задающий генератор (OSC). Основные параметры микросхемы приведены в таблице.

Рис. 7. Типовое включение микросхем STA505, STA5tlfi, STA508 с пднополярным питанием

Микросхемы STA505 (2003 г.) STA506 (2004 г.) и STA508 (2006 г.) являются счетверёнными мостовыми усилителями (QUAD POWER HALI BRIDGE), выполненными по технологии Multipower BCD Technology в кор пусах PowerS036. На базе микросхем возможно построение высокоэффективных двухканальных ИУ по технологии DDX. Структура и схема включения в двойном мостовом режиме одинаковы для всех трёх микросхем и показаны на рисунке 8. В состав микросхем входят четыре оконечных ключевых каскада на комплементарных МОП-транзисторах (Complementary DMOS), формирователи импульсов с дифференциальными выходами (М2 -М5, М14 - М17), стабилизаторы напряжения (REGULATORS), блок защиты и логические схемы (PROTECTIONS & LOGIC).

Рис. 8. Типовое включение микросхем STA505/506/508

На входы IN 1 A, IN1 В, IN2A, IN2B подаются парафазные ШИМ-сигналы размахом около 0,6 В. Назначение логических функциональных выводов микросхемы: вывод 27 (FAULT), лог. 0 -включена защита от коротких замыканий и перегрева, лог. 1 - защита выключена; вывод 26 (TRI-STATE), лог. 0 - все выходы находятся в состоянии высокого выходного сопротивления, лог. 1 -штатный режим; вывод 25 (PWRDN), лог. 0 - состояние пониженного потребления тока, лог. 1 - штатный режим; вывод 28 (THWAR), лог. 0 - допустимая температура микросхемы до 130°С, лог. 1 - штатный режим; вывод 24 (CONFIG), лог. 0 - штатный режим, лог. 1 - OUTlA/2A=OUTlB/2B, если IN 1 A/IN2A=IN l B/IN2B. Во всех случаях уровню лог.   1 соответствует 3,3 В.

Основные    параметры    микросхем STA505/506/508 приведены в таблице.

Литература
1. http://www.nxp.com.
2. http://www.st.com.
3- Direct Digital Amplification,               

Юрий Петропавловский (Ростовская обл.)

Современная электроника, №7, 2009г