Hi-Fi усилитель на микросхеме TDA7294
И это реально! Усилитель, несмотря на относительную простоту, обеспечивает довольно высокие параметры. Вообще-то, по правде говоря, у “микросхемных” усилителей есть ряд ограничений, поэтому усилители на “рассыпухе” могут обеспечить более высокие показатели. В защиту микросхемы (а иначе почему я и сам ее использую, и другим рекомендую?) можно сказать:
- схема очень простая
- и очень дешевая
- и практически не нуждается в наладке
- и собрать ее можно за один вечер
- а качество превосходит многие усилители 70-х … 80-х годов, и вполне достаточно для большинства применений (да и современные системы до 300 долларов могут ей уступить)
- таким образом, усилитель подойдет и начинающему, и опытному радиолюбителю (мне, например, как-то понадобился многоканальный усилитель проверить одну идейку. Угадайте, как я поступил?).
В любом случае, плохо сделаный и неправильно настроенный усилитель на “рассыпухе” будет звучать хуже микросхемного. А наша задача – сделать очень хороший усилитель. Надо отметить, что звучание усилителя очень хорошее (если его правильно сделать и правильно питать), есть информация, что какая-то фирма выпускала
Основные параметры
Я специально проведу замеры параметров микросхемы и опубликую отдельно (Работа усилителя на микросхеме TDA7294 на “трудную” нагрузку). Здесь же скажу, что микросхема устойчиво работала на активную нагрузку 2…24 ома, на активное сопротивление 4 ома плюс либо емкость ~15 мкФ, либо индуктивность ~1,5 мГн. Причем на емкостной и индуктивной нагрузках (не таких сильных, как описано выше) искажения оставались малыми. Нужно отметить, что величина искажений сильно зависит от источника питания, особенно на емкостной нагрузке.
| Параметр | Значение | Условия измерения |
|---|---|---|
| Рвых.макс, Вт (долговременная синусоидальная) | 36 | Напряжение питания +- 22В, Rн = 4 Ома |
| Диапазон частот по уровню -3 дБ | 9 Гц – 50 кГц | Rн = 8 Ом, Uвых = 4 В |
| Кг, % (программой RMAA 5.5) | 0,008 | Rн = 8 Ом, Рвых = 16 Вт, f = 1 кГц |
| Чувствительность, В | 0,5 | Рвых.макс = 50 Вт, Rн = 4 Ом, Uип = +-27 В |
Схема
Схема этого усилителя – это практически повторение схемы включения, предлагаемой производителем. И это неслучайно – уж кто лучше знает, как ее включать. И наверняка не будет никаких неожиданностей из-за нестандартного включения или режима работы. Вот она, схема:
Признаюсь сразу – никаких 80-ти ватт (и тем более 100 Вт) от нее не получишь. Реально 40-60, но зато это будут честные долговременные ваты. В кратковременном импульсе можно получить гораздо больше, но это уже будет РМРО мощность, кстати, тоже честная (80-120 Вт). В “китайских” ватах это будет несколько тысяч, если кого интересует. Тысяч пять. Тут все сильно зависит от источника питания, и позже, я напишу, как увеличить мощность, при этом улучшив еще и качество звучания. Следите за рекламой!
Описание схемы
Входная цепочка R1C1 представляет собой фильтр нижних частот (ФНЧ), обрезающий все выше 90 кГц. Без него нельзя – ХХI век – это в первую очередь век высокочастотных помех. Частота среза этого фильтра довольно высока. Но это специально – я ведь не знаю, к чему будет подключаться этот усилитель. Если на входе будет стоять регулятор громкости, то в самый раз – его сопротивление добавится к R1, и частота среза снизится (оптимальное значение сопротивления регулятора громкости ~10 кОм, больше – лучше, но нарушится закон регулирования).
Далее цепочка R2C2 выполняет прямо противоположную функцию – не пропускает на вход частоты ниже 7 Гц. Если для вас это слишком низко, емкость С2 можно уменьшить. Если сильно увлечься снижением емкости, можно остаться совсем без низких. Для полного звукового диапазона С2 должно быть не менее 0,33 мкф. И помните, что у конденсаторов разброс емкостей довольно большой, поэтому если написано 0,47 мкф, то запросто может оказаться, что там 0,3! И еще. На нижней границе диапазона выходная мощность снижается в 2 раза, поэтому ее лучше выбирать пониже:
С2[мкФ] = 1000 / ( 6,28 * Fmin[Гц] * R2[кОм])
Резистор R2 задает входное сопротивление усилителя. Его величина несколько больше, чем по даташиту, но это и лучше – слишком низкое входное сопротивление может “не понравиться” источнику сигнала. Учтите, что если перед усилителем включен регулятор громкости, то его сопротивление должно быть раза в 4 меньше, чем R2, иначе изменится закон регулирования громкости (величина громкости от угла поворота регулятора). Оптимальное значение R2 лежит в диапазоне 33…68 кОм (большее сопротивление снизит помехоустойчивость).
Схема включения усилителя – неинвертирующая. Резисторы R3 и R4 создают цепь отрицательной обратной связи (ООС). Коэффициент усиления равен:
Ку = R4 / R3 + 1 = 28,5 раза = 29 дБ
Это почти равно оптимальному значению 30 дБ. Менять коэффициент усиления можно, изменяя резистор R3. Учтите, что делать Ку меньше 20 нельзя – микросхема может самовозбуждаться. Больше 60 его также делать не стОит – глубина ООС уменьшится, а искажения возрастут. При значениях сопротивлений, указанных на схеме, при входном напряжении 0,5 вольт выходная мощность на нагрузке 4 ома равна 50 Вт. Если чувствительности усилителя не хватает, то лучше использовать предварительный усилитель.
Значения сопротивлений несколько больше, чем рекомендовано производителем. Это во-первых, увеличивает входное сопротивление, что приятно для источника сигнала (для получения максимального баланса по постоянному току нужно чтобы R4 было равно R2). Во-вторых, улучшает условия работы электролитического конденсатора С3. И в-третьих, усиливает благотворное влияние С4. Об этом поподробнее. Конденсатор С3 последовательно с R3 создает 100%-ю ООС по постоянному току (так как сопротивление постоянному току у него бесконечность, и Ку получается равным единице). Чтобы влияние С3 на усиление низких частот было минимально, его емкость должна быть довольно большой. Частота, на которой влияние С3 становится заметной равна:
f [Гц] = 1000 / (6,28 * R3 [кОм] * С3 [мкФ] ) = 1,3 Гц
Эта частота и должна быть очень низкая. Дело в том, что С3 – электролитический полярный, а на него подается переменное напряжение и ток, что для него очень плохо. Поэтому чем меньше значение этого напряжения, тем меньше искажения, вносимые С3. С этой же целью его максимально допустимое напряжение выбирается довольно большим (50В), хотя напряжение на нем не превышает 100 милливольт. Очень важно, чтобы частота среза цепи R3С3 была намного ниже, чем входной цепи R2С2. Ведь когда проявляется влияние С3 из-за роста его сопротивления, то и напряжеине на нем увеличивается (выходное напряжение услителя перераспределяется между R4, R3 и С3 пропорционально их сопротивлениям). Если же на этих частотах выходное напряжение падает (из-за падения входного напряжения), то и напряжение на С3 не растет. В принципе, в качестве С3 можно использовать неполярный конденсатор, но я не могу однозначно сказать, улучшится от этого звук, или ухудшится: неполярный конденсатор это “два в одном” полярных, включенных встречно.
Конденсатор С4 шунтирует С3 на высоких частотах: у электролитов есть еще один недостаток (на самом деле недостатков много, это расплата за высокую удельную емкость) – они плохо работают на частотах выше 5-7 кГц (дорогие лучше, например Black Gate, ценой 7-12 евро за штуку неплохо работает и на 20 кГц). Пленочный конденсатор С4 “берет высокие частоты на себя”, тем самым снижая искажения, вносимые на них конденсатором С3. Чем больше емкость С4 – тем лучше. А его максимальное рабочее напряжение может быть сравнительно небольшим.
Цепь С7R9 увеличивает устойчивость усилителя. В принципе усилитель очень устойчив, и без нее можно обойтись, но мне попадались экземпляры микросхем, которые без этой цепи работали хуже. Конденсатор С7 должен быть рассчитан на напряжение не ниже, чем напряжение питания.
Конденсаторы С8 и С9 осуществляют так называемую вольтодобавку. Через них часть выходного напряжения поступает обратно в предоконечный каскад и складывается в напряжением питания. В результате напряжение питания внутри микросхемы оказывается выше, чем напряжение источника питания. Это нужно потому, что выходные транзисторы обеспечивают выходное напряжение вольт на 5 меньше, чем напряжение на их входах. Таким образом, чтобы получить на выходе 25 вольт, нужно подать на затворы транзисторов напряжение 30 вольт, а где его взять? Вот и берем его с выхода. Без цепи вольтодобавки выходное напряжение микросхемы было бы вольт на 10 меньше, чем напряжение питания, а с этой цепью всего на 2-4. Пленочный конденсатор С9 берет работу на себя на высоких частотах, где С8 работает хуже. Оба конденсатора должны выдерживать напряжение не ниже, чем 1,5 напряжения питания.
Резисторы R5-R8, конденсаторы С5, С6 и диод D1 управляют режимами Mute и StdBy при включении и выключении питания (см. Режимы Mute и StandBy в микросхеме TDA7294). Они обеспечивают правильную последовательность включения/выключения этих режимов. Правда все отлично работает и при “неправильной” их последовательности , так что такое управление нужно больше для собственного удовольствия.
Конденсаторы С10-С13 фильтруют питание. Их использование обязательно – даже с самым наилучшим источником питания сопротивления и индуктивности соединительных проводов могут повлиять на работу усилителя. При наличии этих конденсаторов никакие провода не страшны (в разумных пределах)! Уменьшать емкости не стОит. Минимум 470 мкФ для электролитов и 1 мкФ для пленочных. При установке на плату необходимо, чтобы выводы были максимально короткими и хорошо пропаяны – не жалейте припоя. Все эти конденсаторы должны выдерживать напряжение не ниже, чем 1,5 напряжения питания.
И, наконец, резистор R10. Он служит для разделения входной и выходной земли. “На пальцах” его назначение можно объяснить так. С выхода усилителя через нагрузку на землю протекает большой ток. Может так случиться, что этот ток, протекая по “земляному” проводнику, протечет и через тот участок, по которому течет входной ток (от источника сигнала, через вход усилителя, и далее обратно к источнику по “земле”). Если бы сопротивление проводников было нулевым, то и ничего страшного. Но сопротивление хоть и маленькое, но не нулевое, поэтому на сопротивлении “земляного” провода будет появляться напряжение (закон Ома: U=I*R), которое сложится со входным. Таким образом выходной сигнал усилителя попадет на вход, причем эта обратная связь ничего хорошего не принесет, только всякую гадость. Сопротивление резистора R10 хоть и мало (оптимальное значение 1…5 Ом), но намного больше, чем сопротивление земляного проводника, и через него (резистор) во входную цепь попадет в сотни раз меньший ток, чем без него.
В принципе, при хорошей разводке платы (а она у меня хорошая) этого не произойдет, но с другой стороны, что-то подобное может случиться в “макромасштабе” по цепи источник_сигнала-усилитель-нагрузка. Резистор поможет и в этом случае. Впрочем, его можно вполне заменить перемычкой – он использован исходя из принципа “лучше перебдеть, чем недобдеть”.
Микросхема TDA7293 практически такая же, как и 7294 (она подробно описана здесь). Но не совсем. В отличии от 7295 и 7296, которые являются следствием разбраковки 7294, 73-я микросхема сделана несколько по-другому. То ли это следующая, более совершенная модификация; то ли 7294 – это упрощенная версия 73-й… Это знают только производители, но тщательно скрывают.
Во всяком случае, судя по даташиту, некоторые параметры 7293 несколько лучше, чем у 7294. Пусть и мелочь, а приятно. Например, чуть выше напряжения питания:
| Сопротивление нагрузки, Ом | Максимальное напряжение питания, В |
|---|---|
| 4 | 29 |
| 6 | 33 |
| 8 | 37 |
Кроме того, микросхема имеет несколько другую внутреннюю структуру – в нее добавлены блоки, отсутствующие в TDA7294. Причем, что очень приятно, сохранена полная совместимость по выводам с микросхемой TDA7294, что обеспечивает их взаимозаменяемость (вместо 7294 всегда и везде можно применять 7293; а вот вместо 7293 можно применять 7294 только там, где не используются ее отличительные особенности):
- Отключение звука при превышении температуры без отключения микросхемы (переход в режим Mute).
- Clip Detector, сигнализирующий об ограничении (клиппинге) сигнала.
- Буферный усилитель для вольтодобавки.
- Цепи для “параллельного” включения двух (или больше) микросхем.
Подробнее об этих вещах:
1. Если TDA7294 просто отключается, когда ее температура превышает 145 градусов, то в 7293 отключение производится в два этапа: сначала при температуре 150 градусов микросхема переходит в режим Mute, т.е. только лишь отключает звук, чтобы остыть. Если же нагрев продолжается, то при температуре 160 градусов происходит отключение всей микросхемы (я так полагаю, что это режим SdtBy). То есть, управление более гибкое, и максимальная рабочая температура выше на 5 градусов.
2. Процесс ограничения сигнала (клиппинг) вызывает изменение напряжения на выводе 5 микросхемы, причем эта цепь достаточно чувствительна, чтобы сигнализировать вовремя, когда перегрузка еще не велика. Про работу этой цепи я напишу отдельно.
3. Работа цепи вольтодобавки объясняется в описании усилителя на TDA7294. Ее недостаток в том, что напряжение для подпитки микросхемы отбирается прямо с выхода усилителя. Т.е. к выходу помимо нагрузки подключается еще дополнительный шибко нелинейный потребитель, отбирающий выходной ток. Пусть этот ток имеет небольшую величину, но если требуется получать коэффициент гармоник порядка 0,005%, то этот ток должен составлять 0,001% от выходного. А это не так. В 7293 между выходом усилителя и цепью вольтодобавки включен буферный усилитель. При этом ток, отбираемый от выхода снижается во много раз, как и влияние цепи вольтодобавки на качество звучания (т.е. происходит как бы разделение труда – для нагрузки свой усилитель, для вольтодобавки – свой).
4. Для увеличения выходного тока, микросхемы можно соединить “параллельно”. Причем если использовать обычное настоящее параллельное соединение, то получится плохо: из-за того, что микросхемы хоть чуть-чуть отличаются друг от друга, они и работать будут по-разному, неизбежные при этом фазовые (и еще какие-нибудь) сдвиги ухудшат и звучание, и режим работы микросхем. Здесь же правильнее говорить не “параллельная работа”, и даже не “совместная”. В английском варианте это называется “master-slave” – “ведущий-ведомый” (правильный перевод “хозяин-раб”, но в советские времена такие слова употреблять было нельзя, и называли “мастер-помошник”). Одна из микросхем при этом работет как обычно (ведущая), а у второй (ведомой) отключаются почти все ее потроха, за исключением мощного выходного каскада. Сам выходной каскад подключается параллельно выходному каскаду ведущей микросхемы. Т.е. грубо говоря, просто запараллеливаются выходные транзисторы, которые дополнительно “берутся” из второй микросхемы. Через каждую микросхему при этом протекает половина выходного тока, и, следовательно, общий ток нагрузки (и выходная мощность) может быть в 2 раза больше (или в 3…), чем у одной микросхемы. Это хорошо при работе на низкоомную (или сильно реактивную) нагрузку, и об этом я напишу отдельно.
А так схема усилителя отличается от схемы на TDA7294 только тем, что конденсаторы С8С9 подключены не к выходу (вывод 14), а к специальному выводу 12 BootLoad (который у 7294 не используется):
Источник питания
Усилитель питается двухполярным напряжением (т.е. это два одинаковых источника, соединенных последовательно, а их общая точка подключена к земле).
Минимальное напряжение питания по даташиту +- 10 вольт. Я лично пробовал питать от +-14 вольт – микросхема работает, но стОит ли так делать? Ведь выходная мощность получается мизерной! Максимальное напряжение питания зависит от сопротивления нагрузки (это напряжение каждого плеча источника):
| Сопротивление нагрузки, Ом | Максимальное напряжение питания, В |
|---|---|
| 4 | 27 |
| 6 | 31 |
| 8 | 35 |
Эта зависимость вызвана допустимым нагревом микросхемы. Если микросхема установлена на маленьком радиаторе, напряжение питания лучше снизить. Максимальная выходная мощность, получаемая от усилителя приблизительно описывается формулой:
где единицы: В, Ом, Вт (я отдельно исследую этот вопрос и опишу), а Uип – напряжения одного плеча источника питания в режиме молчания.
Мощность блока питания должна быть ватт на 20 больше, чем выходная мощность. Диоды выпрямителя рассчитаны на ток не менее 10 Ампер. Емкость конденсаторов фильтра не менее 10 000 мкФ на плечо (можно и меньше, но максимальная мощность снизится а искажения возрастут).
Нужно помнить, что напряжение выпрямителя на холостом ходу в 1,4 раза выше, чем напряжение на втоичной обмотке трансформатора, поэтому не спалите микросхему! Простая, но довольно точная программа для расчета блока питания. И не забывайте, что для стереоусилителя нужен вдвое более мощный блок питания (при расчете по поредлагаемой программе все учитывается автоматически).
| Обязательно должен быть предохранитель как минимум в первичной обмотке трансформатора! Помните, что высокое напряжение опасно для жизни, а короткое замыкание может привести к пожару! |
|---|
| В цепь “земли” предохранитель включать нельзя! |
|---|
От импульсного источника схема тоже работает, но тут высокие требования предъявляются к самому источнику – малые пульсации, возможность отдавать ток до 10 ампер без проблем, сильных “просадок” и срывов генерации. Помните, что высокочастотные пульсации подавляются микросхемой гораздо хуже, поэтому уровень искажений может повысится в 10-100 раз, хотя “на вид” там все в порядке. Хороший импульсный источник, пригодный для Hi-Fi аудио – это сложное и недешевое устройство, поэтому изготовить “старомодный” аналоговый блок питания будет зачастую проще и дешевле.
Ко
TDA7294 vs LM3886 — объективное сравнение
Я уже проводил пробное сравнение этих двух микросхем, но тогда оно было больше по даташитам и немного на слух. Вторая попытка сравнения была неудачной – подвела плохая разводка печатной платы LM3886. Третья попытка сравнить эти две микросхемы наконец оказалась более успешной.
Я собрал на каждой из микросхем инвертирующий усилитель. Почему инвертирующий? Причин несколько:
- у меня уже был собран такой усилитель на TDA7293;
- в инвертирующем усилителе нет электролитического конденсатора в цепи сигнала;
- зачастую инвертирующий усилитель чуть лучше, т.к. в нем отсутствует синфазная составляющая на входном дифференциальном каскаде.
Схемы обоих усилителей практически одинаковы за исключением собственных нюансов каждой из микросхем, чтобы усилители были максимально одинаковыми, и разница определялась только лишь используемыми микросхемами. Кстати, TDA7293 я использовал потому, что она лучше, чем TDA7294. И если есть лучшее, то зачем пользоваться худшим?
Рис. 1. Схема усилителя на TDA7293 Рис. 2. Схема усилителя на LM3886.Разница в схемах небольшая. В TDA7293 присутствуют конденсаторы вольтодобавки С5-С6, другое управление режимом Mute и разделение земель резистором R10. В LM3886 добавился резистор R3, уменьшающий постоянку на выходе (в TDA7293 он не нужен) и катушка на выходе (необходимая согласно даташиту). Опыта по разделению земель в LM3886 у меня нет, поэтому нет и разделительного резистора (чтобы ничего не ухудшить ненароком). Хотя входная и силовые земли все равно надежно разделены монтажно.
В прошлом неудачи в сравнении были вызваны плохой монтажной схемой усилителя на LM3886. Я так и не нашел времени придумать свою, но обнаружил нечто пригодное в интернете. И тут возникла небольшая закавыка: исходная разводка не моя, и было бы хорошо объявить вслух, чью разводку я взял за исходную. Но проблема в том, что в ней была пара мелких бяк, и один довольно крупный косяк, поэтому это может послужить антирекламой автору. Так что я промолчу об авторе разводки, тем более что я ее довольно сильно изменил. Скажу сразу – это далеко не идеал, особенно по габаритам, но в плане правильности она получилась очень хороша.
В обеих схемах земля разделена, но у LM3886 без разделительного резистора (поскольку я не уверен, что с ним будет лучше). Если с моей платой все понятно и все ОК, то разводку платы LM3886 немного поясню. Низковольтная земля (вход, ООС) разведена на «полупятак» в центре платы. Слева платы разведена силовая земля – питание и нагрузка. Туда же входит и сравнительно тонкий проводник, соединяющий эти разделенные земли. Ток по нему, в общем-то, не течет (условно), а нужен проводник для задания потенциала земли. На силовой земле лежат 2 медных проводника диаметром 0,8 мм. Они соединяют между собой выводы электролитических конденсаторов фильтра питания и служат для уменьшения сопротивления дорожки. В середине этих проводников (посередине между электролитами) подключается провод земли источника питания. Так что выходит, что провод питания и электролиты соединены примерно в одной точке. «Межземельный» провод подходит примерно в эту же точку, но перпендикулярно, так что не затрагивает ток, питания протекающий по силовой земле. Примерно также перпендикулярно, но с другой стороны, подходит провод земли нагрузки. В результате токи питания, нагрузки и «межземельный» взаимно независимы. На самом деле нагрузка подключена немного несимметрично, но сопротивление этой несимметрии мало – дорожка нагрузки входит в широченную дорожку земли – и несимметрия влияет очень мало.
Рис. 3. Разводка печатных плат.На плате LM3886 слева две черные линии – отрезки провода диаметром 0,8 мм, припаянные к земляному проводнику для того, чтобы получить соединение конденсаторов С4 и С7 «в одной точке» с минимальным сопротивлением.
Детали я использовал абсолютно одинаковые в обоих схемах (под них и разводил 3886). Наиболее важными считаются конденсаторы. На входе полипропиленовые EPCOS, на выходе (в цепи Цобеля) полипропиленовые К78-19, в цепи питания лавсановые EPCOS. После первых экмпериментов, я в усилителе на LM3886 заменил и электролиты в питании на фирменные LOW ESR.
Обе платы я установил на общий радиатор от усилителя «Орбита» (микросхема LM3886Т в изолированном корпусе, взаимного соединения не произойдет).
Рис 4. Платы усилителей вид сверху. Рис. 5. Платы усилителей вид снизу.Все это я подключил к стабилизированному источнику питания Matrix 2х31,6 вольт. Сигнал подавался и обрабатывался звуковой картой EMU-0404. Выходной сигнал контролировался цифровым осциллографом RIGOL с использованием режима цифровых измерений. Для компьютерных измерений использовались программы ARTA и SpectraPlus (бывшая SpectroLab).
Рис. 6. Измерительный стенд. Слева на столе – 2 блока нагрузок, имеющих активные и комплексные сопротивления.Как показала практика, на частотах ниже 500 Гц эти источники питания вносили искажения из-за того, что ток, потребляемый усилителем, приближался к пределу срабатывания защиты (имеется ввиду ток в импульсе, средний ток был довольно маленьким). Поэтому я использовал нестабилизированный источник 2х28 вольт. Это очень хороший источник, но у него маловато напряжение, а я хотел нагрузить микросхемы посильнее, выжав максимальную мощность. Тем не менее, и с ним все получилось. В процессе работы выяснилось, что микросхема LM3886 перегревается и у нее срабатывает тепловая защита. Пришлось поставить ее на отдельный радиатор и добавить 80-мм компьютерный кулер, запитанный от напряжения 5 вольт, иначе искажения здорово росли прямо в процессе измерений.
Рис.7. С таким охлаждением перегрев микросхемы на результаты не влияет.Каждая из микросхем подключалась по отдельности.
Чем нагружал.
В одном варианте нагрузки я использовал мощные проволочные резисторы ПЭВ (очень линейные, кроме того, они нагружались не более чем на 1/4) в различных комбинациях. Измерения показали, что их индуктивность мизерна и начинает сказываться на частотах выше 100-200 кГц. Такую нагрузку я буду обозначать R. Например, R = 4 Ома. Другая нагрузка имеет сложный комплексный характер. Это довольно трудная, но достаточно реальная нагрузка. АЧХ и ФЧХ ее импеданса показаны на рис. 8. Ее я буду обозначать Z.
Рис. 8. АЧХ и ФЧХ сложной комплексной нагрузки. Примерно на такую нагрузку в реальности работают усилители.Что измерял.
Некоторые справедливо ругают коэффициент гармоник Кг (THD) за то, что он имеет смысл «средней температуры по больнице». Ну что поделаешь, что до сих пор о нелинейности усилителя судят по этому сильно упрощенному показателю. Я придерживаюсь мнения, что на звук сильно влияет не только величина нелинейности, но и ее порядок (характер) – чем выше порядок, тем хуже звук. В просторечии это называют так: «высшие гармоники более вредные, чем низшие». Поэтому кроме стандартного Кг, я буду использовать нормированный к номеру гармоники параметр Кг’, который вычисляется так:
где k – номер гармоники.
Интересно, что некоторые люди, критикующие стандартный Кг за его равноправие по отношению к номерам гармоник, Кг’ совершенно не приемлют, несмотря на то, что он все же лучше. Кг’ тоже далеко не идеал, но в отсутствии идеала ИМХО лучше пользоваться коэффициентом хоть и приближенным, но более точным. Типа из двух зол выбираем менее неточное. А они говорят: «пока не дадите нам идеальную меру, будем пользоваться самым неточным коэффициентом Кг». Но ведь известно, что “заметность гармонических искажений третьего порядка вдвое выше, чем искажений второго порядка, заметность искажений от пятого порядка и выше в 6…10 раз выше, чем второго”. Так что Кг’ пусть и не идеально, но все же учитывает тот факт, что “высшие гармоники звучат хуже”. Хотя в качестве рекламы Кг гораздо лучше, чем Кг’ – ведь его значение значительно меньше…
Что получилось.
Некоторые считают меня апологетом микросхемы TDA7294-TDA7293. Типа я ее люблю, а все остальные ненавижу. Это неправда. Просто так вышло, что я начал работать именно с этой микросхемой, и не видел веских причин переходить на какие-то другие. Поэтому я торжественно клянусь, что не буду никому подсуживать. Что получится, то и получится. Пускай победит сильнейший, а я занимаю позицию: «Платон мне друг, но истина дороже».
Тест №1. Максимальное выходное напряжение-ток-мощность. Я подключил на выход нагрузку R = 2 Ом, чтобы максимально нагрузить усилитель выходным током. И посмотрел, какое максимальное выходное напряжение (и мощность) дает каждый из усилителей при Кг = 1%.
Рис. 9. Максимальный выходной сигнал микросхем.У TDA7294 небольшой выигрыш – 0,5 вольт действующего значения. В общем-то, мелочь, около 5% по напряжению или примерно 10% по мощности. Но учтите, что микросхема 3886 при этом стоЯла на большом радиаторе и обдувалась (хоть и не сильно) вентилятором.
Тест №2. АЧХ усилителей. АЧХ снимались в режиме большого сигнала: выходное напряжение 10 вольт RMS, сопротивление нагрузки R = 6 Ом. Т.е. в реальных боевых условиях, а не в тех тепличных, которые иногда используют для получения красивых рекламных чисел.
Рис. 10. АЧХ усилителей.Небольшое несовпадение АЧХ на частоте 20 Гц – следствие разброса емкости входного конденсатора.
У TDA7293 частота среза порядка 110 кГц, у LM3886 порядка 90 кГц. На самом деле четкого ответа, что лучше здесь нет. Обе микросхемы хороши. У более высокой частоты среза (TDA7293) есть как «за», так и «против». Поэтому тут полная ничья. Более того, такой широкий диапазон рабочих частот в реальности не очень-то и нужен (если не считать рекламы). Поэтому после следующего теста на скорость нарастания я в оба усилителя установил конденсатор в цепь ООС так, как описано здесь. В результате частота среза упала до примерно 70 кГц. Причины установки конденсатора описаны по ссылке выше. Но еще одна причина там не указана, а она тоже довольно важная.
Существует формула (это так называемый критерий динамической линейности) для вычисления требуемой скорости нарастания выходного напряжения усилителя. Если условие, указанное в формуле выполняется, то в усилителе динамические искажения не возникнут никогда:
Условие динамической линейности усилителя.Секрет в том, что при вычислении требуемой скорости нарастания выходного напряжения усилителя в формулу правильно подставлять в качестве частоты fmax не максимальную звуковую частоту 20 кГц, а максимальную рабочую частоту усилителя. В смысле частоту среза. Именно в этом случае не будет динамических искажений. Поэтому усилитель с верхней рабочей частотой в 120 кГц потребует вдвое большей скорости нарастания, чем усилитель с верхней частотой 60 кГц. А ведь скорость нарастания у микросхем не такая уж и большая! Вот поэтому и неплохо ограничить максимальную частоту усилителя значением 40…70 кГц.
Хотя, есть еще один вариант объяснения различий в АЧХ, я его правда не проверял: у 3886 на выходе стоИт катушка, так что на самых высоких частотах спад АЧХ может давать именно она.
Тест №3. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения усилителя. На вход усилителя подаю с функционального генератора Matrix меандр частотой 10 кГц. Нагрузка по-прежнему есть, активная R = 6 Ом – то есть условия остаются боевыми (хоть и не самыми плохими).
Тут есть один нюанс. Он заключается в методике измерений. Одна из них такая: подать входной меандр разумной амплитуды, в пределах номинального входного напряжения. На выходе будет сигнал, соответствующий реальности – просто усиленный входной (ну и с немного растянутыми фронтами). Такой сигнал может на самом деле встретиться в звуковой программе (или в тестовом сигнале).
Второй метод: на вход усилителя подают прямоугольный сигнал огромной (лишь бы ничего не сгорело) амплитуды. И тогда уже измеряют скорость нарастания, которая получается максимально возможной. И цифирки при этом тоже получаются красивые. Но к реальной жизни это отношения не имеет: ведь при таком входом сигнале на выходе творится полный беспредел. Искажения просто сверхъестественные. И поэтому на практике такая ситуация не встречается (встречается в цифровой технике, но нам туда не надо). Но обычно все пользуются вторым способом – реклама прежде всего.
Я использовал оба метода. При этом были отключены все цепи, вносящие задержку: ФНЧ на входе, конденсатор в цепи ООС и катушка на выходе усилителя на LM3886 (и это правильно). На рисунках слева – первый (мягкий) способ измерений, справа – второй (жесткий). Кстати, сравните, как реклама выигрывает от смены метода измерений!
Рис. 11. Скорость нарастания выходного напряжения TDA7293.Слева при выходном напряжении меандра 15 вольт (амплитудных). Справа при подаче на вход напряжения в 5 раз выше максимального.
Рис. 12. Скорость нарастания выходного напряжения LM3886.Слева при выходном напряжении меандра 15 вольт (амплитудных). Справа при подаче на вход напряжения в 5 раз выше максимального.
Результаты сводим в таблицу:
| Микросхема | Скорость нарастания “реальная”, В/мкс | Скорость нарастания максимальная, В/мкс |
| TDA7293 | 6 | 8,3 |
| LM3886 | 5,6 | 16,6 |
LM3886 побеждает с хорошим счетом… Но в “преувеличенном” тесте. Т.е. микросхема вдвое обгоняет конкурента по скорости нарастания, но в реальной работе это произойдет при пятикратной (!) перегрузке. Не все любят слушать музыку в таких условиях. Вот только в этой бочке меда небольшая ложка дегтя: посмотрите, LM3886 не дает на выходе напряжения выше 20 вольт (осциллограф показал 19,4 в положительном направлении), тогда как TDA7293 загоняет луч за пределы экрана. Можно было бы сказать, что нет смысла в большой амплитуде, если скорости нарастания недостаточно. Но все же вряд ли в реальном сигнале будет такое количество высоких частот, что TDA7293 не справится с ними по скорости нарастания – если высоких и вправду будет так много, то они мгновенно сожгут пищалку в колонках и не будет слышно, что микросхема лажает .
Кстати, а на тесте таким сигналом, какой бывает в реальных условиях, микросхемы одинаковы. Разница в 0,4 В/мкс незначима – ведь у микросхем существует разброс.
Тест №4. Измеряем Кг и Кг’ на частоте 1 кГц при выходном напряжении 10 В RMS и нагрузке либо R = 4 Ома (Рвых = 25 Вт), либо R = 8 Ом (Рвых = 12,5 Вт) Два разных сопротивления позволят оценить влияние сопротивления нагрузки (и опять же выходного тока) на искажения. Т.е. рассматриваем вопрос «кто более чувствителен к нагрузке»? Вот спектры выходных сигналов, ограниченные первыми 20-ю гармониками.
Рис. 13. Спектр искажений микросхем на нагрузке 4 Ома. Рис. 14. Спектр искажений микросхем на нагрузке 8 Ом.Искажения LM3886 заметно выше. Но в спектре преобладает «красиво звучащая» 2-я гармоника. Так что можно предположить, почему эта микросхема некоторым нравится больше, чем TDA7294: возможно, что «более сладкое» звучание LM3886 перевешивает «неправильности», вызванные бОльшими искажениями. Но пока это только предположение.
Посмотрим, как влияет нагрузка на каждую из микросхем.
Рис. 15. Влияние сопротивления нагрузки на искажения микросхемы TDA7293. Рис. 16. Влияние сопротивления нагрузки на искажения микросхемы LM3886.В общем-то влияние небольшое, но меня не оставляет мысль о том, что я недогрузил микросхемы. Возможно, в следующем сравнении надо будет повторить измерения, но при Rнагр = 2 Ома.
А пока сведу результаты в таблицу для большей наглядности.
| Параметр | Сопротивление нагрузки, Ом | LM3886 | TDA7293 |
| Кг (THD), % | 8 | 0,02 | 0,01 |
| Кг (THD), % | 4 | 0,034 | 0,015 |
| Кг’, % | 8 | 0,64 | 0,52 |
| Кг’, % | 4 | 0,43 | 0,59 |
Почему-то LM3886 ведет себя аномально: при росте выходного тока Кг’ уменьшается. Возможно это случайность, пока я не знаю, почему такое может быть и как это проверить.
Тест №5. АЧХ Кг и Кг’. APTA почему-то не хочет измерять гармоники выше частоты 22 кГц (несмотря на то, что я установил Fд=96 кГц). Поэтому графики не доведены до частоты 20 кГц, а оборваны там, где начинает теряться точность из-за того, что некоторые гармоники уже не измеряются. Выходное напряжение 10 вольт RMS. Активная нагрузка R = 4 Ом.
Рис. 17. АЧХ коэффициента гармоник обеих микросхем на резистивной и сложной нагрузках. Рис. 18. АЧХ нормированного коэффициента гармоник обеих микросхем на резистивной и сложной нагрузках.Выводы:
- Комплексность нагрузки влияет не так уж и сильно (особенно на «правильный» Кг’).
- У LM3886 основные искажения приходятся на 2-ю гармонику, поэтому при довольно заметном различии в «обычном» Кг, нормированный Кг’ обеих микросхем не так уж и различается. Наверное поэтому они звучат примерно одинаково.
Тест №6. Интермодуляционные искажения IMD. Они очень хорошо показывают нелинейность, особенно на высоких частотах, где гармоники бывает трудно измерить. Итак, подаем синусоиды 18 кГц и 19 кГц одинаковой амплитуды. Нагрузка R = 4 Ом и комплексная, выходное напряжение 12 вольт амплитудного значения.
Рис. 19. Интермодуляционные искажения микросхемы TDA7293 при нагрузке R = 4 Ом. Рис. 20. Интермодуляционные искажения микросхемы TDA7293 при комплексной нагрузке Z. Рис. 21. Интермодуляционные искажения микросхемы LM3886 при нагрузке R = 4 Ом. Рис. 22. Интермодуляционные искажения микросхемы LM3886 при комплексной нагрузке Z.На «простой» нагрузке LM3886 демонстрирует результаты лучшие, чем TDA7293 (хотя это не совпадает с АЧХ Кг). Хотя основную роль в этом играет разностная частота 1 кГц. На частотах интермодуляций 2, 3, 4 кГц побеждает TDA7293, только неизвестно, влияет ли это на что-нибудь – уж очень маленькие амплитуды.
А вот на трудной нагрузке LM3886 сразу «дохнет». Кстати, и выходное напряжение 12 вольт амплитуды было выбрано потому, то большее напряжение (16 вольт) микросхема LM3886 «не тянула» (похоже шла в разогрев – искажения росли во времени до ужасных величин). TDA7293 выдавала напряжение 16 вольт вполне спокойно.
На мой взгляд причина в разных выходных транзисторах этих микросхем. У TDA7293 и TDA7294 на выходе используются полевые транзисторы. Их входной ток практически не зависит от сопротивления (и тока) нагрузки. У LM3886 на выходе транзисторы биполярные. Их ток базы пропорционален выходному току, причем с ростом выходного тока коэффициент передачи транзисторов h31 падает, и ток базы может расти быстрее, чем растет выходной ток. И вполне возможно, что этот повышенный ток базу нагружает драйверный каскад, который и создает дополнительные искажения. Также может быть, что микросхема хуже охлаждается (из-за изолированного фланца), и искажения вызывает разогрев ее кристалла. В общем-то этот тест довольно жесткий.
Заключение.
В общем, практически по всем параметрам побеждает TDA7293, но с небольшим отрывом. LM3886 со своей стороны может привлечь сторонников «красивого» звучания своей большой 2-й гармоникой.
На самом деле, я и этим сравнеием недоволен. Причины:
1. В инвертирующем включении не видно разницы в свойствах входных дифференциальных каскадов микросхем. Так что если они заметно различаются – то мы этого не увидели.
2. Слишком большие получились коэффициенты гармоник. Раз в 10 больше, чем в даташите. Даже с учетом того, что в даташите публикуют результаты при самых “удобных” измерениях (например, могут использовать стабилизированный источник питания). Но особое подозрение вызывает тот факт, что эти мои измерения микросхемы TDA7293 не совпали с другими (правда сделанными для других экземпляров усилителя). Может все же я где-то промахнулся?
3. И измерить АЧХ и зависимость от амплитуды первых пяти гармоник. А потом уж сводить в кучу, используя Кг и Кг’.
4. Измерять, а главное публиковать искажения до 20-й гармоники… И какая муха меня укусила? Не, прибор-то что-то показывает, но насколько это соответствует реальности?
5. Может мне попалась неудачная микросхема. А может что-то из элементов, установленных на этих платах. Надо сделать еще по одной плате с другими микросхемами (купленными в другом месте и в другое время) и сравнить.
6. Интересно измерить скорость нарастания на “трудной” нагрузке.
7. Провести ряд других тестов:
- Допустимый нагрев микросхем.
- Работа на малом сигнале.
- Что-нибудь еще.
В общем – продолжение будет!
22.03.2013
Hi-Fi инвертирующий усилитель на TDA7293 / 7294 с Т-образной ООС
Загрузить ZIP-архив (~220 кБ), содержащий схему усилителя, разводку платы в программе Sprint-Layaut 4.0 и размещение элементов.
Зачем оно нужно – инвертирующее включение? Тут две причины: во-первых избавиться от электролитического конденсатора в цепи ООС, который на звук нехорошо влияет; во-вторых ослабить влияние неидеальности входного дифкаскада микросхемы (в нем сигнал ООС вычитается из входного сигнала и если дифкаскад плохой, то и ООС работает плохо). В интегральном исполнении дифференциальный усилитель на самом деле получается очень хорошим: из-за того, что транзисторы, расположенные на кристалле на расстоянии 0,05…0,2 мм друг от друга имеют практически одинаковые характеристики, и из-за того, что можно не бояться использовать хорошую схему на двадцати транзисторах. Тем не менее, даже с таким дифкаскадом инвертирующее включение позволит выжать максимум из качества звучания, избавившись от всех его погрешностей вообще.
Схема усилителя подходит для любой из микросхем, как TDA7294, так и TDA7293:
Усилитель на TDA7294 (TDA7293) схема.Очень важно! Резистор разделения земель R10 может ухудшить работу усилителя, если он неправильного сопротивления! Постоянка на выходе, неустойчивая работа, повышенный шум – признаки неправильного сопротивления. Наиболее частые проблемы – плохой контакт в пайке; неправильный резистор (1кОм вместо 1 Ом). Довольно часто случается, что на резисторе написано 1,5 Ома, а реальное сопротивление у него не такое. Или при пайке перегрели. Резистор можно заменить перемычкой, это ухудшит звучание совсем-совсем капельку (а если повезет, то никак не ухудшит, но следите за земляными петлями в усилителе в целом!), но если сопротивление велико, или плохая пайка – это будет намного хуже!!!
Больше, чем 3,3 ом R10 ставить нельзя.
Усилитель получился просто класс (выжал из микросхемы все, что можно)! Все электролиты шунтированы пленочными конденсаторами, улучшающими их работу на высоких частотах. Входной фильтр R1С1 ослабляет влияние высокочастотных помех (которые есть всегда и везде!), а выходная цепочка R9С4 повышает устойчивость усилителя при работе на реальную нагрузку. Тип микросхемы (TDA7293 или TDA7294) выбирается установкой перемычки, идущей от конденсаторов С5С6.
Почему я рекомендую микросхему TDA7293? Потому, что она немного лучше, чем TDA7294. Кроме того, что у нее больше допустимое напряжение питания и выходная мощность, у нее более сложная схема, дающая бОльшие возможности. Например, специальный усилитель для вольтодобавки, который отключает эту цепь от выхода и снижает искажения. Еще очень полезная цепь – клип-детектор, дающий информацию о перегрузке, когда на слух ее еще не заметно.
Важный момент: входной конденсатор С2 задает нижнюю рабочую частоту усилителя по уровню -3 дБ. Выбирайте такую, как хотите. Хоть 5 Гц! Но помните, что такую частоту не воспроизведет ни одна колонка. И если на колонки подать очень низкие частоты даже небольшой величины (а они есть в реальном сигнале, особенно идущем с LP-плеера виниловых пластинок), то колонки будут перегружаться и создавать большие искажения. Так что С2 работает как сабсоник-фильтр, обрезая те частоты, которые уже не воспроизводятся. Обычно входной конденсатор настраивается на частоту в 2…3 раза ниже реальной нижней рабочей частоты колонок.
У вывода 5 сделана контактная площадка для подключения клип-детектора.
Несколько слов по поводу Т-образной ООС. Если бы я зарабатывал на всем этом деньги, я бы рассказал, какая это волшебная ООС, какой чудесный звук она дает, и как ее нужно правильно заклинать (в полночь у амбара с кузнецом!.. пардон, это, кажется, из другой оперы!). Т-образная ООС – это такая же обратная связь, как и всякая другая, в ней нет ничего необыкновенного. И ее применение здесь не самоцель – она позволяет в данном конкретном случае получить немного лучшие параметры усилителя, чем “обычная”. На самом деле, идея проста. В инвертирующем усилителе входное сопротивление определяется резистором R2 (цепь R1C1 я отбрасываю для простоты, да и влияет она очень мало). Если бы ООС была обыкновенной, то резисторов R4,R5 небыло бы, а правый по схеме вывод R3 был бы подключен к выходу усилителя. Тогда коэффициент усиления Ку=R3/R2. Поскольку Ку=25…30, то для его получения потребовалось бы либо уменьшать R2, а значит и входное сопротивления (т.е. заметно нагружать источник сигнала), либо сильно повышать R3. Но при большом значении R3 возникает много плохого: лезут помехи, начинает влиять влажность и запыленность воздуха (если плата не залита лаком), влияет емкость монтажа и близкорасположенных предметов. А делать усиление меньше, чем 20…25 раз нельзя – микросхема может возбуждаться, т.к. она скорректирована именно под такое усиление.
Для того, чтобы и нужное усиление получить, и сопротивление резистора не увеличивать и добавляются R4 и R5, которые образуют делитель и ослабляют сигнал ООС перед подачей его на R3. Теперь R3 должен обработать (ослабить) более слабый сигнал, а значит не должен быть таким большим. Вот и получается Т-обраная схема: резисторы R3,R4,R5 на вид образуют перевернутую букву Т. Недостаток этой схемы – несколько большее выходное постоянное напряжение смещения, потому что теперь глубина ООС по постоянному току не 100%, как в “обычной” ООС, а немного меньнше. Насколько это плохо? Примерно в двух десятках экземпляров усилителя оно было на уровне 60…160 мВ. Это значит, что на колонки придется по 1…6 милливатт мощности постоянного тока. Вам страшно? Мне – нет!
Итак, по сравнению с “обычным” инвертирующим включением мы получили “правильную” величину входного сопротивления и избавились от высокоомных резисторов. По сравнению с распространенной неинвертирующей схемой мы избавились от электролитического конденсатора в цепи сигнала и от неидеальности входного дифференциального усилителя.
И кстати, такую вот Т-образную ООС изобрел не я (к сожалению ), она известна уже лет 70, а может и больше и обязательно описывается в хороших учебниках схемотехники.
Некоторое время спустя (примерно через год, после изготовления нескольких десятков таких усилителей), я придумал как чуть-чуть улучшить эту схему. На самом деле в этой схеме улучшать и нечего – все и так очень хорошо. Но всегда хочется сделать систему хоть чуть-чуть, но лучше. Это очень небольшая доработка и на слух изменения в звучании абсолютно незаметно. Но все же я предлагаю сделать это, потому что с такой доработкой микросхема будет чуть-чуть лучше работать. Что улучшится:
1. Улучшатся переходные процессы в микросхеме.
2. Увеличится устойчивость при работе на трудную нагрузку.
3. Микросхему станет труднее перегрузить по скорости нарастания. Теперь (совместно с цепочкой R1C1) никакой реальный сигнал не вызовет динамических искажений – мы от них застрахованы совершенно! (Но это не значит, что теперь можно будет напускать в усилитель кучу помех!)
Вся доработка сводится к установке небольшого керамического конденсатора на 47 пикофарад (допустимо от 33 до 68 пФ) параллельно резистору R3 в цепи ООС. На схеме это конденсатор Сх. О качестве конденсатора можно не бесспокоиться – такие конденсаторы обычно делают из хорошего диэлектрика и искажений они не вносят. Этот конденсатор увеличивает глубину ООС и линейность микросхемы на самых высоких частотах (выше 20 кГц). На слух абсолютно незаметно, но работать будет чуть-чуть лучше, что приятно осознавать. Вот как изменяются амплитуды гармоник и Кг при усилении синусоиды 15 кГц.
Без конденсатора:
С конденсатором:
И интермодуляционные искажения при подаче двух частот 18 кГц и 19 кГц. Это очень жесткий тест для усилителя, на Западе обычно пользуются более щадащим тестом, он дает “более красивые цифирки”, которые удобнее использовать для рекламы. Зато приведенный тест – это практически “испытание на выживание”, он позволяет увидеть все огрехи работы усилителя на самых высоких частотах (где усилителю работать труднее всего и он дает наибольшие искажения). Кстати, искажения довольно маленькие, такими интермодуляционными искажениями не всякий дорогой усилитель может похвастаться (я конечно не имею ввиду усилители за $100 000).
Без конденсатора:
С конденсатором:
Тут интермодуляция на частоте 1 кГц не изменилась (еще бы, конденсатор начинает работать на частотах выше 50 кГц), а вот на частотах 35…38 кГц уменьшилась более чем вдвое. Это означает, что в реальном мнногочастотном музыкальном сигнале высокочастотные продукты интермодуляций будут самую капельку меньше влиять на звук (имеется ввиду взаимодействие этих вот частот 35…38 кГц с сигналом). В результате получаем уменьшение перегрузки микросхемы высокими частотами.
Обратите внимание – и без конденсатора усилитель демонстрирует отличные параметры. Но всегда хочется самого-самого, вот я этот конденсатор и добавил.
Важное дополнение. В инвертирующей схеме нет смысла включать режим Mute, поскольку он замыкает на землю неинвертирующий вход, который здесь и так заземлен. Управление питанием производится режимом StdBy (см. Режимы Mute и StandBy в микросхеме TDA7294). И тут есть маленький мерзкий нюанс – включение этого режима сопровождается небольшими помехами на выходе микросхемы (почему-то когда включен Mute их нет). Поэтому емкость конденсатора С3, задающего длительность включения/выключения лучше не увеличивать (также как и сопротивления резисторов R6, R7) – тогда помехи будут непродолжительными и малозаметными.
Внешний вид усилителя: компоновка и разводка платы очень-преочень хорошая и правильная (практически идеальная).
Вход максимально отдален от выхода и с обеих сторон “прикрыт” земляными проводниками (т.е. практически экранирован). Вся силовая земля соединяется в одной точке (в которую подводится питание). А к ней через резистор разделения земли подключена сигнальная земля. Широкие и короткие дорожки имеют мизерное сопротивление и индуктивность (особенно это важно для проводников питания). Кроме того они хорошо держат тяжелые детали.
В плате есть несколько “лишних” отверстий, чтобы можно было устанавливать конденсаторы разных габаритов. При монтаже сначала устанавливаются перемычки, причем при установке микросхемы не замкните ее выводы с перемычкой!
Дополнительный конденсатор Сх припаивается на плату с обратной стороны, при этом он не должен касаться корпусом дорожки или пайки. В новой плате для этого конденсатора предусмотрено посадочное место на лицевой стороне платы.
Звучание усилителя – просто замечательное! Это максимум, что можно из нее выжать, а микросхема-то – неплохая!
Наладка схемы и прочее описаны в статье про неинвертирующий усилитель на TDA7294. Туда читателя и отсылаю.
В настоящее время у меня имеется несколько плат, изготовленных промышленным способом. Как заказать – см. здесь.
18.06.2009
Усилитель мощности на TDA7294 — СделайСам — Витебск
Не знаю, заинтересует ли сейчас кого-то эта поделка из 2008 года, но пусть лежит на этом сайте. Для истории. Это первая моя электронная самоделка, процесс изготовления которой я догадался снять на фото.
Я не фанат «тёплого лампового звука», сигнальных проводов из бескислородной меди и конусных опор для сетевых проводов. Слух мой совсем не музыкальный, поэтому меня устраивают старые советские колонки 35АС-xxx. Суховский усилитель высокой верности, сделанный в студенческие годы, пропал (отдельная история, но не по теме сайта), а иногда послушать Queen-ство какое-нибудь хотелось (за компанию с соседями), поэтому вполне логично, что появилось желание по-быстрому сделать что-то непритязательное ему на замену.
Раз по-быстрому, значит на микросхемах. Тут не принципиально, что деталей меньше (это экономия всего-то нескольких часов при изготовлении платы и монтаже), важнее то, что на микросхеме собрал — и он сразу работает с гарантированными даташитом параметрами, никаких настроек не требуется. ОК, с элементной базой решено. А какая будет общая концепция медиацентра? Можно красивый, плоский, сразу с блэкджеком и шлюхами коммутатором входов, MP3, DVD, FM, ДУ, эквалайзером и т.д. Но не нужно. Всё сразу — это сложно и долго. А плоский корпус = импульсный питатель, что не очень хорошо для УМ. Лучше сделать два модуля: сначала — усилитель мощности (быстро), а потом — всё остальное (вдумчиво и основательно). В этом случае усилитель мощности не имеет никаких органов управления, и держать его на видном месте нет необходимости. Пускай стоит в шкафу на полке. Тогда он должен всего лишь вписываться по высоте в габариты полки, что даёт возможность использовать удобный, большой корпус, разместить нормальный трансформатор. Единственная особенность — включаться он должен автоматически, по команде с медиацентра или при появлении на входе звукового сигнала.
Всё, план созрел, берёмся за дело.
С выбором микросхемы заморачиваться не пришлось, т.к доступны были только TDA7294 (про Али в то время я еще не в курсе был), поэтому в Стэлл’е (Витебский магазин поставщик радиодеталей) были куплены эти усилители и электролиты на 10000 мкФ. Остальное — что под ногами валялось.
А под ногами валялся, в первую очередь, хороший силовой трансформатор. Правда, напряжение он давал на 10 вольт больше, чем хотелось бы (после выпрямителя получалось 45В, а по даташиту для микросхемы предельно допустимое 50В, максимальное рабочее 40В, рекомендуемое 35В). Сделан транс добротно, но без расчёта на разборку, так что отмотать витки можно, но жалко «шкурку портить». И тут я вспомнил какую-то статью, в которой оценивали необходимость применения стабилизатора напряжения для питания выходных каскадов усилителя. И сделали вывод, что качество звука повышается, но затраты возрастают настолько, что для промышленных устройств это невыгодно. Порылся в Интернете (модем на 56 кБод, вот времена были…), нашел подтверждение с подробным анализом, и решил делать стабилизатор: во-первых, у меня не промышленное устройство и детали бесплатные, во-вторых, любопытно поэкспериментировать, в-третьих, напряжение будет идеальным без перемотки транса. В общем, одни плюсы. Спроектировал. Угу. Блок питания получился больше, чем усилитель. Хотя, собственно, в чём проблема? В квартире поместится, и ладно:
На фото видно, что сделан из разного хлама: радиаторы от процессоров intel P2, транзисторы, реле и прочее — от старых мониторов, блок питания дежурного режима — от древней аналоговой камеры наблюдения. Схема простая: 4 независимых компенсационных стабилизатора, узел плавного заряда конденсаторов — вот, собственно, и всё. Стабилизаторы без защиты от кз и перегрузки, это позволило уменьшить выходное сопротивление блока питания, что важно для усилителя мощности (имеет значение на пиках нагрузки).
Схема усилителя мало чем отличается от рекомендованной даташитом:
Для усилителя важнее разводка печатной платы. Тем более, что микросхема склонна к возбуждению на частотах порядка 100 кГц, да ещё иногда только при определённой амплитуде полезного сигнала, что вообще бывает очень сложно отловить. Кроме того, так как у меня разводка второго канала получается поворотом на 180 градусов трассировки первого, нарисовалась потенциальная проблема: вход одного канала находится недалеко от выхода другого, что может приводить к наводкам. Поэтому над каждой дорожкой много думал (иногда с калькулятором), а потом изготовленная плата была тщательно проверена на все возможные косяки (носил в Витебский гос. университет им. Машерова, там на кафедре физики приборы неплохие. Огромное спасибо за содействие Данилову Геннадию Викторовичу, к сожалению, его уже нет с нами…). Результатом остался доволен. Нет, компоновка и трассировка, конечно не идеальные, но приемлемые (например, С10 слишком близко к радиатору, с размерами дросселя на R7 немного не угадал).
Смонтированная конструкция выглядит так:
Радиаторы, естественно, от процессоров (какие-то Athlon’ы были). Рёбра тоненькие и плотно расположены, то есть, естественный обдув никакой. Фактически, отдача тепла таким радиатором при естественной конвекции, примерно, как если бы он был из сплошного бруска алюминия, то есть, рёбер как бы и нет вовсе. Впрочем, при небольшой выходной мощности (как показала практика, до 20 Вт) этого достаточно (напомню, микросхема работает в режиме АВ, и максимум рассеиваемой мощности приходится где-то на 35 Вт при моём напряжении питания). Ну а для большей мощности у нас есть вентиляторы.
Для раскачки усилителя на полную мощность на вход надо подать сигнал около 0.5В. Однако встречаются источники, у которых выходное напряжение не превышает 150 мВ. Чтобы сделать усилитель универсальным, решил добавить регулируемый предусилитель на малошумящем ОУ NE5532 (кстати, рекомендую микросхему, для качественного аудио — самое то, и недорого). При работе от источника с достаточным напряжением, предусилитель отключается переключателем на плате (конечно, искажения и шумы от NE5532 мизерные, но если есть возможность их совсем исключить, то почему бы это не сделать?). Заодно на этой же плате собран усилитель / детектор сигнала для узла автоматики.
Немного почесав репу, решил добавить еще и узел защиты колонок. Но вводить дополнительное реле в цепь выходного сигнала не стал, решил обойтись отключением выходных каскадов и питания. Да, в конденсаторах достаточно энергии, чтобы спалить динамик даже при отключенном питании, но всё же: аварийная ситуация может возникнуть при: 1) аварии в блоке питания, или 2) отказе усилителя (пробой транзистора выходного каскада, другие отказы не критичны). В случае (1) отключение выходных каскадов (сигналом stand-by, а заодно и mute) спасает (да и своих средств защиты в микросхеме хватает). В случае (2) обычно конденсаторы разряжаются через микросхему (с красивыми спецэффектами). Так что, считаю, что реле здесь излишне. Для работы системы защиты собрал детектор аварийной ситуации, который выдает на контроллер сигнал аварии при перекосе питающих напряжений или появлении на выходе усилителя постоянной составляющей напряжения. На этой же плате разместил датчики температуры радиаторов.
В итоге к основной плате добавилось два довеска:
В сборе это примерно так выглядит (это предварительная сборка, ещё провода не припаяны, терморезисторы без прокладок и не прижаты к радиаторам):
А вот вид компоновки усилителя (в точности так, как он будет потом установлен в корпусе, все расстояния соответствуют):
В таком виде паяем силовые провода (так удобнее, чем потом в корпусе это делать). На фото видно, что на платах установлены разъёмы. Они используются только в цепях управления и слаботочного питания. Особое внимание уделено разводке «земли»: разделение цифровой, сильноточной и слабосигнальной «земель», отсутствие петель, разделение каналов, соединение «земли» всех узлов только в одной точке («Мекке»).
Пришло время заняться корпусом. Обтрясаем пыль со старого корпуса от системника (естественно, не первый попавшийся, ширина системников разная, все платы проектировались именно под этот):
И начинаем его резать:
Сверлим и прорезаем отверстия, и сгибаем где надо. При этом разболталось крепление передней части (она крепилась алюминиевыми заклёпками), пришлось совсем оторвать (потом закрепил винтами):
Нарезаем внешние части корпуса:
Смотрим, как всё это стыкуется между собой:
От передней пластмассовой части корпуса отрезал верх и низ, и склеил их между собой. Шов виден, если знать что он есть. Но вид не портит.
Моем, обезжириваем, красим (загрунтовать не помешает, на заводское покрытие краска и так хорошо ложится, а вот на голый металл в местах распилов — не всегда). Краска — самая дешевая из баллончиков.
После окончательной сборки получаем такую конструкцию:
В качестве управляющего контроллера использован ATTiny2313:
Устройство имеет три режима: «выключено», «включено» и «автомат» (выбирается одной кнопкой). С первыми двумя всё понятно, в последнем режиме при появлении на входе звукового сигнала (порог программируется), усилитель включается, при отсутствии сигнала в течение 15 минут, усилитель переводится в режим stand-by, а еще через 15 минут выключается. При включении сначала подаётся питание, затем, после окончания заряда конденсаторов, включаются выходные каскады усилителей, затем разблокируются входные каскады. Выключение в обратном порядке (при аварии сразу выключается всё). Контроллер измеряет температуру радиаторов и ступенчато регулирует обороты вентиляторов (три ступени, коммутацией резисторов, без ШИМ — нам лишние помехи ни к чему). Пороги программируются, по умолчанию до 40 градусов вентиляторы вообще выключены. При появлении сигнала аварии от узла защиты или аварийном перегреве усилитель выключается. При незначительном перегреве переводится в stand-by, если не помогло — через три минуты выключается. При перегрузке по входу блокируются входные каскады. Все пороги всех систем хранятся в EEPROM и могут корректироваться по I2C (также по I2C можно управлять режимом работы, например, «умный дом» может отключать звук при срабатывании таймера на кухне, дверного звонка или городского телефона, хотя эта функция в будущем будет перенесена на медиацентр, если я его сделаю. Там можно будет приглушать звук, а не вырубать его полностью). Так как в ATTiny2313 нет интегрированного АЦП, пришлось добавить несколько внешних компонентов для получения АЦП прямого преобразования. Первый АЦП (сравнительно высокой точности) используется для измерения напряжения на выходе детектора звукового сигнала (запускается счетчик, на один вход компаратора подается сигнал с детектора, на второй — линейно нарастающее напряжение с конденсатора, заряжаемого от источника стабильно тока, когда напряжение «пилы» станет больше входного, счетчик останавливается), второй АЦП, более грубый, измеряет сопротивление терморезисторов, установленных на радиаторах, работает по схожему принципу (запускается счетчик, конденсатор заряжается через терморезистор, при достижении порога переключения входа с «0» на «1», счетчик останавливается). К сожалению, активная работа других узлов контроллера приводит к небольшой нестабильности порогов срабатывания (производитель рекомендует на время измерений компаратором исключить активность на всех остальных портах контроллера, но в данном случае сделать это не получилось). Для устранения возникающей ошибки используется усреднение по принципу экспоненциального скользящего среднего.
Что получилось в итоге? Вполне приличный усилитель. Знакомые хвалят. Соседи — ну, не знаю, может, и ругают. Влияние стабилизатора на качество скорее всего есть, но не доказано. Эксперимент проводился следующим образом: усилитель подключался к колонкам (8 Ом) в актовом зале. Что за колонки — не знаю, помню, в названии была цифра 150, предполагаю, это мощность (размер соответствует). Звук подавали с проигрывателя мини-дисков. Поднимали громкость, пока не появлялись заметные на слух искажения, затем продолжали поднимать, пока искажения не становились совсем противными. Затем подключали другой блок питания и делали то же самое. Повторили 2 раза, пытаясь уловить момент, чтобы «хрюкало вот так же, как тогда». Вывод: на малой и средней громкости разницы нет. На большой — при стабилизированном питании искажения появляются на большей выходной мощности, и по мере дальнейшего увеличения мощности растут не так быстро, как без стабилизатора. Затем то же самое проверили осциллографом на эквиваленте нагрузки (кружку воды вскипятили), результат подтвердился. Почему же тогда я выше написал, что влияние не доказано? Дело в том, что трансформаторы были разные. Блок со стабилизатором питается от отличного тора на 300 Вт, а без стабилизатора использовался убогий транс от лампового цветного телевизора на 280 Вт, с хрен знает как скомбинированными обмотками, чтобы получить такое же напряжение, как и в варианте со стабилизатором (и достаточное сечение проводов обмоток). Вроде бы и тот, и другой обеспечивают питание с достаточным запасом (проверяли каналы по одному), но всё же, эксперимент не чистый. Я через пару лет после этого эксперимента пытался использовать транс от советского лампового ч/б телека в своей конструкции. Это просто ужас. Железо работает с индукцией 1.75 Тл! Гудит, ток хх бешеный, на выходе синусоиды и близко не видно. Пришлось первичку перематывать, мощность получилась 120Вт вместо паспортных 180Вт. Так что теперь я уже сомневаюсь, а не был ли тот результат следствием плохого трансформатора? А может быть, тот транс был нормальный? ХЗ.
И в качестве приложения схемы узлов усилителя (схема защиты, входной узел, контроллер, блок питания):
