Усилители класса D: IRS20957S, IRS2092S, TDA8954TH

Лабораторная работа «Знакомство с усилителями класса D». На рабочем столе IRS20957S, IRS2092S и TDA8954TH.

Как вы думаете, что изображено на фото? Так, с задних рядов не подсказываем!

А пока ищем в поисковике по надписи на плате, я расскажу вам, что это. Это модуль UcD250 от компании Hypex Electronics. Ничего особенного. Класс D, 250 Вт заявленной мощности. Нормально, да? Опять китайцы нарисовали свои Ватты? Нет, сегодня все честно и по-настоящему. Это внутренности монитора ближнего поля EveAudio, предназначенного для профессиональной студийной работы. Размерчик модуля можно оценить по фото, для масштаба обычная АА-батарейка.

Содержание / Contents

• 1 Ломаем стререотипы 1.1 Где лампы? Где утюг класса А, мощный тор питания в конце концов? Что за неуважение к аудиофильскому подходу?
• 1.2 Как так? Это же клубно-уличная АС, не может так звучать этот усилитель! Тем более класс D!
• 1.3 Как оно вообще работает, болезное? Куда 300 Вт из БП уходит? Что вообще происходит?
• 1.4 Старт лабораторки

ИНФРАКРАСНЫЕ (IR) ДАТЧИКИ

Инфракрасные датчики все шире используются при измерении температуры в таких разных областях, как контроль климата в автомобиле, ушные термометры, измерение термоизоляции жилищ и диагностика двигателя при ремонте автомобиля. Довольно небольшой выходной сигнал датчика требует большого усиления при минимальном напряжении смещения и минимальном дрейфе во избежание ошибки по постоянному току. Если используется связь по переменному току между каскадами усиления (рис. 5), малое смещение и дрейф позволяют избежать перехода входного каскада усиления в насыщение в результате дрейфа.

Рис. 5. Усилитель для датчика инфракрасного излучения

Низкий входной ток обеспечивает минимальную погрешность при высоком выходном импедансе сенсора. Как и в случае датчиков давления, очень низкий уровень временнoго и температурногодрейфа усилителя позволяет избежать появления дополнительной погрешности после того, как была произведена однократная калибровка. Низкий уровень шума вида 1/f улучшает соотношение сигнал/шум (SNR) при измерениях сигнала постоянного тока с периодом отсчетов, превышающим 1/5 секунды. На рис. 5 показана схема усилителя, усиливающая сигнал в 100-300 мкВ до уровня 1-3 В.

↑ Ломаем стререотипы

↑ Где лампы? Где утюг класса А, мощный тор питания в конце концов? Что за неуважение к аудиофильскому подходу?

Да все просто. Мы живем в среде стереотипов, навязанных нам некими гуру или авторитетами. Раз он так сказал — не может быть иначе. Поэтому нельзя к лампам прикрутить ИБП, нельзя использовать ОУ наподобие NE5532, а конденсатор в тракте обязательно должен быть мифический BlackGate. А почему никто не смеет задуматься, а что там на студии? Какие там ОУ и БП в пультах, цифровых магнитофонах? Как отполированы провода от микрофонов и инструментов? И отполированы ли они вообще? Правильно ли они включены и какой фирмы XLR-разъемы использовались? Как лежат провода? А шнуры питания? Под нужным ли углом?
А зря. Эту информацию надо иногда писать на обложках альбомов мелким шрифтом , чтоб отрезвить особо ретивых слушателей. Там, на студиях, все немного иначе…

Класс D прошелестел копытами мимо меня. Я тоже, грешным делом, находясь в плену стереотипов, считал его уделом музцентров и бумбоксов. Да, встречал в прецизионных (!) стабилизаторах материнских плат, и даже как-то собирал инверторы на 220 В — там тоже класс D по сути, но в звуке не использовал. Ровно до того момента, пока не попал мне в ремонт модуль активной АС HK-Audio HK Linear5 115FA.

Меня удивили габариты всей платы, и то что это двухполосная АС с мощностью под триста реальных ватт. Проблема была в БП, а усилители для НЧ и ВЧ секции были живы и здоровы. Но проверить после запуска было просто необходимо. Для этого был отключен работавший в этот момент клон Jeff Rowland-а и на его место воткнут модуль от HK.

Результат меня впечатлил! Я слышал утверждения, что усилитель должен быть на порядок мощнее используемой мощности, но чтоб настолько это было выражено?

↑ Как так? Это же клубно-уличная АС, не может так звучать этот усилитель! Тем более класс D!

Позднее я не раз в этом убеждался, когда слушал 2-3 киловаттные усилители на своих рабочих 50 ваттных АС, но первое впечатление было сильным. А главное — это фантастический КПД. Полевики на выходе стоят на небольших пластинках слева на фото, БП на ТОР262 справа, ВЧ секция в виде субмодуля вообще без радиаторов, охлаждение — 50 мм вентилятор один на всех и почти никаких отверстий. И оно не греется! Нет, греется, градусов до сорока после часа работы!

↑ Как оно вообще работает, болезное? Куда 300 Вт из БП уходит? Что вообще происходит?

Первое впечатление было очень тяжелым. Я привык верить глазам, рукам, а не буквам на картинке, поэтому я несколько дней слушал в разных режимах этот модуль, щупал, включал, выключал, измерял температуры. В конечном счете, академический интерес победил и я решил поближе познакомиться с этой технологией.
Оказалось, что уже несколько лет класс D прочно входит в нашу жизнь, и при этом обладает неплохими характеристиками. Например, сама по себе технология UcD (Universal class D), упрощенно, обычный усилитель, введенный в режим самовозбуждения, а аналоговый сигнал модулирует ширину импульсов этого возбуждения, и на выходе мы имеем ШИМ-модулированнй аудио сигнал с частотой этого самовозбуждения. Дальше дросселем и конденсатором преобразуем его обратно в аналог.

Теперь понятно, как в ноутбуках получают напряжения с тремя знаками после запятой.

Конечно, существует набор специализированных микросхем и полевых транзисторов, а также множество готовых решений. Например серия IRAUDAMP от бывшего IR, а теперь Infineon.

↑ Старт лабораторки

Почему бы не провести лабораторную работу с целью изучения принципа работы, подводных граблей, неожиданных открытий и прочего. Тот ассортимент оборудования, что я успел пощупать, довольно широк, но, как правило, это или продукт NXP с их TDA895х, или IRS209хх от Infineon в разных вариациях. Поэтому за основу были взяты IRAUDAMP6
и
IRADAMP7
на чудных
IRS20957
и
IRS2092
соответственно.

По воле случая, мне достался неисправный усилитель Behringer iNUKE NU6000

, поэтому партия IRS20957 и IRFB4227 были закуплены для его оживления. Это и определило выбор схемотехники. При этом задачи создать «киловатт с канала на два ома» не стояло — мне просто негде «это» использовать, а реальные железки на «киловатты» я и держал в руках, и штопал после пьяных диджеев и хромых электриков, и, естественно, слушал и оценивал. Так вот мощность я не закладывал, не измерял потом и не анонсировал. Где-то «ватт по сто» — будет более точное описание техзадания. По этой же причине не закладывались и лимитеры, дома они не нужны.

Ну что, вперед!

ПРЕЦИЗИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ СИГНАЛА ТОКОВОГО ШУНТА

Характеристики прецизионного токового шунта значительно улучшаются при использовании уникальных достоинств усилителя с автоподстройкой нуля, включенного по схеме измерительного усилителя (рис. 3). Токовые шунты используются в схемах прецизионных источников тока в качестве элемента цепи обратной связи. Они также применяются во многих других устройствах, включая схемы измерения тока при батарейном питании, схемы контроля пускового тока двигателей и прецизионные схемы измерения электроэнергии.

В данной схеме желательно использовать шунт с очень малым сопротивлением для минимизации падающего на нем напряжения; при этом потери мощности будут минимальны и при измерении больших токов напряжение за счет шунта упадет незначительно.

Рис. 3. Усилитель токового шунта

Типичный шунт может иметь сопротивление 0.1 Ом. При измерении тока величиной 1 А и более выходной сигнал шунта составит сотни милливольт или даже вольты, и при этом погрешность усилителя по постоянному току не критична. Другое дело — при малых измеряемых токах, порядка 1 мА: для достаточно точного измерения напряжения величиной 100 мкВ с выхода шунта необходим ОУ с очень малым напряжением смещения и с очень малым дрейфом этого напряжения. Также необходимо иметь минимальный ток утечки выхода, чтобы он не вносил заметную погрешность в измеряемый сигнал. Высокие значения коэффициента усиления с открытой петлей обратной связи, коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС) и коэффициента ослабления влияния изменений напряжения питания (PSR) способствуют получению высокой точности всей системы. Если ток изменяется не слишком быстро, то с помощью усилителя с автоподстройкой нуля с фиксированной частотой работы схемы автоподстройки можно добиться превосходных результатов.

Обычно желательно ограничить полосу частот обрабатываемого сигнала до минимально необходимой величины, так как это минимизирует влияние импульсных помех схемы автоподстройки, и кроме того, минимизирует общий уровень шума. Запомните, что суммарный шум напряжения усилителя с автоподстройкой нуля пропорционален квадратному корню из ширины полосы (EN=eN * vBW). Простой низкочастотный фильтр может быть создан за счет добавления дополнительных конденсаторов (C) параллельно резисторам обратной связи. Дополнительное усиление и фильтрацию усиливаемого сигнала можно обеспечить с помощью дополнительного каскада с обычным операционным усилителем. Усилитель с автоподстройкой нуля с присущим ему большим коэффициентом усиления с открытой петлей обратной связи может обеспечить 100 или 1000-кратное усиление, что позволяет в качестве следующего каскада использовать дешевый КМОП усилитель с напряжением смещения в несколько милливольт и большим уровнем шума напряжения без риска ухудшить точность системы. Кроме того, применение каскада с большим коэффициентом усиления на ОУ с автоподстройкой нуля может обеспечить дополнительный полюс и более быстрый спад АЧХ фильтра, если произведениекоэффициента усиления на полосу пропускания ОУ (GBW), деленное на установленный коэффициент усиления, даст величину, меньшую чем половина частоты работы схемы компенсации нуля. Однако характеристики получившегося фильтра будут зависеть от GBW, а величина GBW различается у разных экземпляров усилителя.

Если частота сигнала превышает приблизительно половину частоты работы схемы компенсации нуля, то лучше использовать усилитель с псевдослучайным генератором тактовых импульсов, такой как AD8571. В этом случае широкополосный шум будет несколько бoльшим и иметь более широкую полосу, но зато тактовый генератор схемы автоподстройки не будет вызывать появление максимумов на частоте тактового генератора, и кроме того, интермодуляционные эффекты (IMD) будут минимизированы.

↑ Усилитель 1. IRS20957+IRFB4227 (IRFB5615)

Усилитель с использованием IRS20957, построенный на базе IRADUAMP6, представляет из себя внешний интегратор на ОУ, который непосредственно ШИМ-модулирует входной сигнал, сам драйвер верхнего и нижнего плеча IRS20957 и выходной каскад на двух полевиках. Все это охвачено обратной связью, которая запускает самогенерацию на частоте, определяемой элементам обвязки интегратора.

Также драйвер содержит защиты верхнего и нижнего плеча от перегрузки, а также софтстарт и четыре настраиваемых значения dead time.
Такая топология называется self-oscillating amplifier

. Можно использовать внешний генератор, но об этом ниже.

↑ Блок питания

Для начала нужно было создать БП. Дело в том, что для правильной работы данного драйвера требуется несколько напряжений. Вход ШИМ сигнала у драйвера требует TTL уровня, а значит интегратор нужно питать от +/-5В, а также питание самого драйвера +12В не относительно общего провода, а относительно минусовой шины силового питания.
В демоплатах эта проблема решена немного топорно, и 12В получают с помощью стабилизатора из минусовой шины, а потом яростно борются с излишним тепловыделением. Я решил не идти по граблям хотя бы в этом вопросе.

Так как большая мощность не планируется, то за основу взят проверенный в боях БП на FSFR1700. Его мощности мне хватит для домашнего использования, да и почти все компоненты есть в наличии.

Будущую схемотехнику я представлял в общих чертах, поэтому заложил следующие параметры: 12В питания драйвера, относительно минусовой шины. Оно же стабилизировано ОС БП. Питание самого усилителя 2*40-60В. И 2*12В для буфера. Интегратор я планировал питать через примитивные цепочки резистор-стабилитрон на 5В, что при испытаниях сыграло со мной злую шутку.

↑ Схема БП

не несет ничего нового.

Так как напряжения резонансного БП кратны примерно 6В на один виток, то напряжение питания усилителя я выбрал равным 55-58В. Выше не имеет смысла из-за имеющихся в наличии емкостей на 80В. Так как в усилителях класса D имеет место так называемый pumping effect
, сильно приближать питание к рабочему напряжению конденсаторов просто нельзя.

↑ Pumping effect

Pumping effect
на пальцах. Энергия, накопленная в дросселе на выходе усилителя, перетекает в шины питания через внутренние антипаразитные диоды выходных полевиков, вызывая повышения напряжения на этих шинах. Особенно ярко выражается на низких частотах, на сигналах периодической формы, типа синусоиды. Более детально можно почитать в специальной литературе.

На заре коммерческого производства усилителей класса D в цепи питания ставили диоды Шоттки в прямом направлении. Это позволяло исключть pumping эффект, но при этом появлялся лишний компонент в цепи. Что было лучше — применить емкости на более высокое напряжение или пара диодов — сказать сложно, но сейчас диодов нет, емкости впритык и каналы в противофазе. Видимо так лучше? Или дешевле?

В первом варианте усилителя стабилизаторы DA2, DA3 были настроены на напряжение +/-9В. Далее было изготовлено две платы из подручных материалов. Для питания интегратора я применил цепочки из резисторов 1,2К (как раз валялись под рукой) и стабилитронов 5,1В.

На холостом ходу, до установки в плату силовых ключей, драйвера и ОУ, эти напряжения соответствовали норме и я успокоился. А зря. Вот как не любил я эти «простые» решения, так оно и получилось. В результате испытаний было выжжено четыре полевика и три драйвера. От более серьезных повреждений спасла токовая БП. Она просто его отключала.

А все оказалось банально просто. При установке ОУ, я не замерил напряжения его питания. Привык, что LM317 не подведет. Зато подведет резистор. Напряжения оказались +3,2В и −3,8В. Не каждый ОУ будет работать, когда его так недокармливают! Выкинул резисторы, откалибровал DA2 DA3 на 5В и все. Запуск, частота на месте, не вырубается БП. Вот такой я косячник иногда…

↑ Схема усилителя

Платы усилителей были немного уставшие от моих истязаний, поэтому я решил переделать все. Теперь версия 1.1.
Моноплата на два канала, защита от постоянки. Хоть и есть встроенная защита от кз внутри IRS20957, рисковать динамиками при напряжении питания под 60В как-то несерьезно. В профессиональной аппаратуре защита гасит БП, у меня такой режим не предусмотрен, поэтому обычная защита от постоянки на реле.

В качестве буфера и интегратора применен сдвоенный ОУ. Буфер необходим. Им можно задать чутье (а здесь играть номиналом резисторов ОС R9 R40 чревато потерей устойчивости и далее потерей ключей и драйвера). Им можно отвязать усилитель от источника.

Сделана раздельная регулировка частоты генерации резисторами R6 R37. При минимальном сопротивлении частота минимальна, около 80-90кГц. Частоту повышать можно и нужно, но без фанатизма. У меня выводный монтаж, и на таких частотах эксперименты небезопасны. На SMD попроще, но следует помнить и про сквозные токи и про тепловой режим драйвера. Я ставил примерно 320-340 кГц.

Цепь на транзисторах Q1, Q2 — плавное включение и выключение. Задержка при включении на 5-6 сек, и отключение при пропадании питания с БП. Вообще на вывод CSD можно повесть все что угодно, от MUTE, до термозащиты.

По выводу 8 выставляется dead time

. Чем тупее полевики, тем больше значение DT. Я отказался от IRFB4227 в пользу более легких IRFB5615, так как на IRFB4227 при увеличении громкости происходил уход в защиту на среднем значении DT. А максимальный DT и низкая частота — это удел усилителей для сабов. Сабов у меня нет. Поэтому и настройки будут другими.

Вообще все рекомендуемые параметры есть в апноутах или описаниях для IRADUAMP. Например как настроить защиту и как выставить DT. Рассказывать не буду, там одна таблица по DT и несколько простых формул номиналам резисторов защит. Менять резисторы надо на отключенном усилителе и разряженных емкостях. При отключенной генерации расхода по силовым шинам питания нет, емкости держат долго. Я так убил еще одну IRS20957.

↑ Важное замечание

Проводить настройку усилителя желательно имея осциллограф. Если все собрано верно, то он заработает 100%. Но вот выставить частоту без прибора сложно. Также желательно L-meter. Так как дроссель на выходе — практически основная деталь.

↑ Дроссель

В данном варианте применен готовый дроссель от усилительного блока HK Linear5 115FA. Индуктивность примерно 28 мкГн. Намотан на красном
кольце. Подобных колец не нашел ни одного у себя в хламе. Желтые кольца от БП компов не подходят. Народ рекомендует или ETD или RM сердечники. Либо просто стержень. Остальное уходит в насыщение. Не забывайте, через дроссель идет вся активная и реактивная мощность.

В сети есть программы расчета таких дросселей, поэтому можно рассчитать и «на глаз» без L-метра. Параметры фильтра определяют не только частоту среза и АЧХ, но и остаток несущей на выходе. На клеммах АС остаток обычно 200-500мВ. Кому-то это кажется много, но помните, что это 200-400кГц, мы их не слышим и не каждый динамик их воспроизводит. Ну, а весь мир вокруг давно промодулирован зарядками, энергосберегайками и wi-fi точками.

ВВЕДЕНИЕ

Когда заходит речь об усилителях с автокоррекцией нуля (усилителях со стабилизацией прерыванием, т.н. chopper), то неизбежно встает вопрос: как же они на самом деле работают? Помимо любопытства по поводу их внутреннего устройства у многих инженеров, возможно, возникает следующий вопрос: «Их точность по постоянному току впечатляет, но с какими странностями в их поведении я могу столкнуться при использовании этих усилителей в своей схеме, и как мне избежать проблем?» В данной статье мы попытаемся ответить на оба данных вопроса. Будут приведены некоторые распространенные схемы применения этих усилителей в качестве иллюстрации значительных преимуществ, а также некоторых недостатков этих компонентов.

↑ Усилитель 2. IRS2092+IRFB4016

Прототипом послужила АС Electo-Voice ZXA1
(кстати там БП на IR2153!). Пришлось искать плавающий дефект, и с перепугу я закупил для них IRS2092 и IRFB4016. Дефект оказался никак не связан с полупроводниками — керамические конденсаторы зло, и я решил собрать усилитель на IRS2092.

Этот вариант я решил изготовить исключительно для сравнения. Так как IRS2092 имеет встроенный интегратор, то является фактически полноценным усилителем.

Зато решил применить внешний генератор. Как в вышеуказанной АС. Нет, топология так и осталась
self-oscillating
, но только частота синхронна с внешним источником. И фаза противоположна в обоих каналах, чтобы снизить pumping эффект. К тому же в усилитель добавлена ООС, снимаемая после дросселя. В оригинале частота жестко задана и равна 250кГц, я же решил сделать возможность ее регулировки.

↑ Блок питания

И тут снова пришлось изготавливать БП. Делать клон предыдущего я не стал, безжалостно разобрал ламповый гибрид на 6Э5П. БП на FAN7621.

Здесь все почти тоже самое. Только не стал вытаскивать защиту на отдельную обмотку и запитал ее от шины +12В через стабилизатор. Напряжение питания 6В выбрано из-за того, что у меня были в наличии реле на 5В. Для других реле напряжения придется корректировать. Также понизил напряжения питания усилителей до +/-38В. Кончились емкости. Остались только на 50В…

↑ Схема усилителя

Сам усилитель тоже несколько отличается от варианта 1. Одиночные ОУ в качестве буферов. Здесь их уже можно запитать от +/-9В. Выше делать не стал, чтобы не грузить стабилизаторы на Q1 и Q2. Плавный пуск от БП тоже не пригодился. Усилитель включается и выключается бесшумно.

Генератор опорной частоты собран на HEF4047. Планировал делать на чем-то типа 74АС04, но, к своему удивлению в хламе нашел таки 4047… Частоту можно подстраивать через R17.
Интересно, при первом запуске, усилитель отказался работать на частоте ниже 200кГц. Запуск, хаотическая генерация и уход в защиту. Хорошо была возможность регулировать частоту на ходу. Поднял выше 200кГц и все заработало! С чем это связано пока не могу сказать. У IRS20957 такого не было, генерила устойчиво от 80 кГц. Напрасно переживал и несколько раз перемерял все напряжения перед установкой полевиков и драйвера. После включения все заработало с первого раза!

↑ Дроссели

выковырял из какого-то БП.

Были на 60мкГн, отмотал до 22мкГн. Получилось около 24 витков. Провод около 2 мм. Хочу попробовать мотнуть литцем, но потом.

↑ Рекомендации по настройке

Для обоих микросхем есть application note. В них указано, как правильно настроить защиту от КЗ, как установить значение dead time, как выбрать элементы обвязки для установки частоты. В общих чертах ничего сложного. Например защиту настраиваем под используемые полевики. Настройка грубая, если использовать стандартный ряд сопротивлений. Если есть прецизионные номиналы — будет точнее. Выбор DT тоже зависит от полевиков и частоты. Например для тупых, но мощных IRFB4227 лучше ставить максимальный DT и не повышать частоту выше 180-200кГц. А вот для легких полевиков наоборот, можно повышать частоту и уменьшать DT.
Чем выше частота — тем выше качество передачи высоких частот. Примерно как в ЦАП. Но и гнать частоту до мегагерц невозможно. Настанет момент, когда полевики перестанут закрываться и пойдут сквозняки. Тут уже DT не поможет.

Если все собрано без ошибок, схема запускается с первого раза, настроить нужно, как правило, только частоту. Или заранее впаять нужный резистор. Остальное работает сразу. Если есть сомнения, можно навешать лампочек на шины питания. Мне как-то не потребовалось.

При запуске, в точке соединения полевиков, до дросселя, должно быть как-то так (делитель 1:10 размах — два питания):

Или так, без делителя:

А после дросселя так (без делителя).

Уровень несущей зависит от частоты, чем она выше, тем уровень ниже. Можно при текущей частоте его уменьшить, увеличив индуктивность или емкость фильтра, но следует помнить, что можно срезать АЧХ сверху. Так что фанатизм тут нежелателен.

Я думаю, можно применить Т-образный фильтр, и еще улучшить срез, но в реальности я почти нигде не видел применение двух дросселей на выходах, а те что имели вторую ступень, скорее фильтровали помехи от кабеля в усилитель, чем из него. Еще хорошо такие усилители использовать как низкочастотную секцию — типа сабвуфера или НЧ канала. При таком КПД усилителю не будет равных.

↑ Измерения

Все это хорошо, но на данном этапе надо чем-то помериться. Не важно чем и как, но без измерений, все мои повествования и восхваления будут не полными. Дрожащей рукой достаю побитый молью Creative X-FI HD, и попробую замерить то, что наваял. По традиции — измерение по кольцу.

Как видно, инструмент еще способен на многое, хоть и побывал уже в неравных боях с усилителями, о чем я рассказывал в предыдущих статьях.
С измерением усилителя возник легкий казус — дело в том, что свои нагрузочные ПЭВ я утратил в процессе переезда, поэтому нагрузкой у меня служат по два резистора 6R 5W в параллель, что придает измерениям некий шарм. Включил, отстроил уровни, выключил. Потому как дым от этих греющихся резисторов начинает застилать глаза и я боюсь, что бедный Creative наступит на ту-же лепешку, но уже по моей вине. А я же могу себе этого и не простить.

Для начала надо измерить общую картину:

И, как оказалось, она довольна неплоха, для импульсного усилителя, собранного по фекально-дендральной технологии на коленке. Это лучший результат после ряда попыток до перегрева нагрузочных резисторов. Хуже только при перегрузе АЦП или при понижении мощности с сохранением порога -2-5дБ. Там уже растет шум.

А как же АЧХ? Ну примитивно, с помощью freq sweep, я ее понаблюдал. Некоторая «синусоидальность» картинки — это особенность работы программы — реально она линейна до предела измерения карточки.

То есть мои опасения о спаде сверху из-за фильтра после полевиков оказались беспочвенны.

Данные измерения приведены для первой версии, которая на IRS20957, вторая, что на IRS2092 оказалась немного хуже по уровню THD, зато более приятная по звуку (вот этот обман, что мы принимаем порой за лучшее).

А вот теперь интересное наблюдение

: уровень THD, точнее уровень гармоник меняется при изменении несущей частоты. Причем не в обоих каналах, а наоборот — в одном может расти, в другом одновременно снижаться. Видимо генератор должен быть очень качественный, а в идеале вообще кварцован. Тогда картина будет иная. На данном этапе self oscillated выглядит лучше по измерениям.

Как-то так.

↑ Важное замечание по БП

То, что я использовал систему стабилизации для получения +12В питания драйвера — в корне неверно с точки зрения конструкторов профессиональных усилителей. Стабилизация напряжения с помощью ОС не используется нигде и никогда. БП, будь он резонанс или просто ШИМ, работает на максимальной отдаче в нагрузку. Управление используется только чтоб погасить БП при аварии усилителя. Реле в качестве разрыва нагрузки используется только в старых версиях усилителей. Все новые, при аварии, гасят БП, не разрывая нагрузку.

↑ Важное замечание по печатным платам

Одноименные шины силового питания соединены с обратной стороны обычными проводами. На трассировке эти соединения не указаны! Внимательнее при сборке.

↑ Первое впечатление от звука

— шикарная динамика. Особенно заметно на низах. У варианта два более мягкий звук в области середины — верха. Возможно влияние второй цепи ОС.
Схожее ощущение от динамики у меня было, когда я ставил после ремонта на прогон Dynacord L2400 на мощности 15-20 ватт. Громче просто невозможно было, пришлось бы уходить из помещения.

Второе впечатление от звука

— если не знаешь, что там стоит перед АС — не угадаешь. До этого, различие между лампой и АВ вычислялось легко. Здесь хорошо чувствуется запас по мощности, это сложно описать, нужно слушать. Аппарат «прозрачен» для любых жанров музыки.

Но самое «тяжелое» впечатление

— не греется ничего! То есть греется транс в БП — это было всегда, немного теплые дроссели — тоже норма, а остальное комнатной температуры. И зачем я городил эти алюминиевые пластины, ставил кучу радиаторов везде где не надо? Я понимаю, привычка. Особенно после ламп с их «высоким» КПД.

Но тут просто ощущение нереальности, как будто оно просто выключено и не работает… Естественно, если снимать с этих усилителей сотни ватт, то оно и нагреется, но для дома, когда нет войны с соседями и остатки ушей еще нужны, весь алюминий с этих плат можно смело сдать в цветмет — усилитель этого не заметит. А в SMD исполнении это вообще будет очень компактно, как на фото в начале статьи.

Вообще класс D не заканчивается на вышеописанных конструкциях. Ваш смартфон на 99% оборудован усилителем класса D, только маленьким. Автомобильные усилители, музценты, телевизоры — это только «начальный» этап применения этой технологии. Источники питания цифровых блоков ноутбуков, планшетов, сотовых телефонов, везде, где нужно получить, например 1,200 В для питания логики, а не 1,2 В ±10%, работают по схожему принципу. И работают отлично.

ИЗМЕРЕНИЕ СИГНАЛА МОСТОВОГО ТЕНЗОДАТЧИКА

Еще одна область применения, где низкое значение постоянного смещения и соответствующая производительность на низкой частоте помогают получить большой динамический диапазон, — это устройства с мостовыми датчиками. Эти датчики используются при измерении силы и давления, а также в электронных весах; они обычно дают на выходе относительно небольшое напряжение, даже при максимальной нагрузке. В данном примере три из четырех усилителей, имеющихся в ИС AD8554, используются для возбуждения датчика и дифференциального усиления сигнала (рис. 4).

Рис. 4. Схема подключения тензодатчика

Максимальный сигнал тензодатчика составляет несколько десятков милливольт. В данном случае очень низкое напряжение смещения усилителя с автокоррекцией нуля способствует минимизации погрешности измеряемого сигнала. Благодаря отсутствию шума вида 1/f возможно производить отсчеты входного сигнала с большими интервалами. Так как уровень временнoго дрейфа усилителя достаточно низкий, то рекалибровку устройстваможно делать реже или в некоторых случаях не делать вообще.

Устройства с датчиками давления, в которых обычно требуется линеаризация для получения точной величины выходного сигнала, выигрывают от применения усилителя с малым напряжением смещения и малым дрейфом этого напряжения. Сигнал от датчика с хорошими характеристиками может быть масштабирован и линеаризован без учета влияния усилителя, так как дополнительные погрешности, вносимые усилителем, незначительны. Малый входной ток усилителя позволяет использовать датчики с высоким сопротивлением; это может значительно уменьшить потребляемый системой ток в портативных устройствах или в устройствах, питающихся от сигнальной цепи, так как ток возбуждения датчиков может быть гораздо меньшим при том же выходном напряжении. Меньший ток возбуждения также минимизирует погрешности, связанные с саморазогревом датчика. Большинство устройств с тензодатчиками низкочастотны по своей сути, поэтому ограниченная рабочая полоса частот усилителей с автоподстройкой нуля и с фиксированной частотой работы схемы автоподстройки не является проблемой. При использовании мостового датчика с более высокой частотой выходного сигнала или датчика с возбуждением переменным током рекомендуется применять усилитель с автоподстройкой нуля с псевдослучайным генератором тактовых импульсов (семейства AD857x).

↑ Усилитель 3. TDA8954TH

Когда уже все было написано и готово к публикации, на меня внезапно свалился аппарат, позволивший мне без напрягов попробовать еще один вариант усилителя класса D на TDA8954TH. Эта серия сейчас широко используется в профессиональной аудиотехнике, а также в бытовой высококачественной аппаратуре, но, на удивление, не пользуется популярностью у самодельщиков. Попробуйте набрать в поиске название — удивитесь.

↑ Пожар в Behringer Eurolive B112D

Мне довелось «пощупать» их всех от TDA8950 до TDA8954. Но, как правило, это был мост в низкочастотной секции аппарата. Мне же нужен был усилитель в стерео режиме, причем широкополосник. И вот возможность предоставилась! Донор — активная АС Behringer Eurolive B112D. Пожар на плате:

На удивление, в живых остались все, за исключением сгоревших в хлам компонентов.

Только физическое разрушение платы позволило мне ее раздербанить для экспериментов. Причина — некачественные емкости в обвязке на выходе. Производитель выслал новый модуль целиком, а из «старого» я собрал «наколенный» вариант усилителя.

↑ Об особенностях чипа TDA8954TH

TDA8954TH представляет из себя стерео усилитель класса D. Гора плюсов!
Корпус пока что паябельный, у конкурентов корпуса уже для роботов. Возможность работы в стерео и в мостовом моно режиме. Мостовой режим, как правило, пользуется популярностью у производителей. Имеется встроенный генератор несущей, а также возможность работы от внешнего с делением его частоты на два. Производитель, для улучшения качества, настоятельно рекомендует использовать внешний генератор. Попробуем и поглядим.

Работает с нулевым Deadtime, так что КПД еще немного выше.

Оборудована мощным пакетом защит, и при испытаниях, мне не удалось ее специально вывести из строя кривыми руками — блин, а ведь так хотелось! КЗ на выходе держит хорошо, при перегреве втыкает флаг перегрева и снижает усиление — а там или выключайтесь или запускайте вентилятор — флаг вам выдали в руки.

Минусы:

неудобный корпус, неудобный шаг ног для высоконагруженных цепей и цепей питания. Хотя в общем топология почти симметричная. Сверху пластина теплоотвода, что несколько неудобно при монтаже на стандартные стойки без специальной теплопроводящей пластины. Еще минус — выходные цепи подразумевают кучу SMD конденсаторов на малом расстоянии от чипа, что не всегда хорошо — хорошая высоковольтная керамика в дефиците.

↑ Схема усилителя

Итак схема:

Генератор собран по проверенной схеме на HEF4047, за исключением частоты — она выше в два раза, в сравнении с предыдущим усилителем. Так как внутри микросхемы есть делитель на два, частота генератора должна быть в пределах от 500кГц, до 1МГц. Я гонял до 1,2МГц — все хорошо.
Q1,Q2 — схема плавного запуска. Формирует сигнал 0-5В на ноге MODE при подаче или снятии питания. Более детально — см. даташит. |Q3 — индикация срабатывания защиты от перегрева. Не отключает выход, но придавливает размах сигнала на выходе. Q4-Q7 — отключение АС при любой аварии в усилителе, а также при КЗ, перенапряжении, перегрузке по току и так далее. Полный список флагов есть в даташите. При включении — задержка подключения АС, как в обычном усилителе.

На входе два ОУ в качества буферов и формирователей симметричного сигнала. Каналы усилителя включены в противофазе, для снижения pumping-а, поэтому для правильной фазировки АС один канал включаю «наоборот». В принципе можно это сделать на выходных разъемах при установке в корпус. ОУ запитаны от силовых шин усилителя через LM317/LM337. Да, им тяжело, но в БП инженеры, в отличие от меня, не предусмотрели отдельного выхода для питания ОУ. А так как я использовал готовый набор запчастей, пришлось идти по их следам.

↑ Блок питания

Вообще, идея была запихать усилитель в формат корпуса для ЦАП, размером 200*200мм, и два угловых радиатора как раз этому способствовали. Поэтому БП и сам усилитель изготовлен на двух платах.

БП целиком взят с донора. Выкинут только компонент термозащиты и изменен стабилизатор на 5В. Так как данных на трансформатор у меня нет, описывать особо не буду. Контроллер NCP1271.Топология Flyback. Контроллер определенно умнее меня. Я так и не разобрался до конца как он работает.

Схему не вижу смысла рисовать, не рассказав про трансформатор, на выходе 2*38-42В (регулируемо), и 5В стабилизированно для защит, генератора и схемы запуска. Вот кусок сервисного мануала для ознакомления:

↑ Включение, подстройка, измерения

Если все собрано и запаяно правильно — при первом включении все работает. Нужно только подстроить частоту задающего генератора резистором R25. Тут вылезает много интересного. Например штатные дроссели греются прилично. Нештатные пихать некуда — места нет. КПД резонансного БП выше чем у флайбэка, LM317/337 с нагрузкой в два ОУ и два LED ощутимо сильно греют пластину радиатора, а сама микросхема в нагреве и не участвует. Поэтому или выкинуть буфер или сделать отдельную обмотку под их питание.
Но в целом, даже на коленке звучит оно замечательно:

Здесь наблюдается тот-же эффект, что и в усилителе на IRS2092. Внешнее тактирование дает уровень гармоник, превышающий даташитное значение. Видимо качество несущей — определяющий фактор для качественных показателей. Значит для серьезного улучшения ТТХ нужно применять генератор получше, в идеале кварц.

Но на слух — оно не заметно. Моя глухота не позволяет сделать однозначный вывод, но общее впечатление положительное. Особенно непривычно вздрагивать при добавлении громкости вместе с мебелью в комнате — ощущение запаса мощности непередаваемое, при скромных габаритах аппарата.

Схема принципиальная УНЧ

Схема принципиальная усилителя на TDA7498
Модуль питается напряжением 24 вольта, фильтрация – 2 конденсатора 2200 мкФ. Кроме БП и УМЗЧ тут есть система задержки включения колонок и индикатор уровня. При прослушивании очень довольны звуком усилителя, но слабое питание (трансформатор не ахти) не позволяет раскрыть потенциал TDA7498. Светодиод над выключателем двухцветный, когда выключено – горит красным, а при запуске УНЧ зеленым.

Стереоусилитель TDA7498 совместим по выводам с усилителями TDA7492 (2×50 Вт), TDA7498L (2×80 Вт) и TDA7498MV (100 Вт), что позволяет использовать аналогичную аппаратную платформу для УНЧ с различной выходной мощностью.

↑ Размышления и выводы

Мы живем в мире стереотипов. Кто-то считает 4А32 венцом творения, не подозревая, что в хороших современных 30-см динамиках подвижная система может весить меньше 30 грамм. Кто-то спит с лампой 6П3С под подушкой. Кто-то греет классом А свой дом, снимая на выходе 10 Вт полезной мощности. Особо упоротые полируют провода, забывая про тысячи полупроводников на пути от лазера CD плеера до выхода ЦАП.
Мне тоже высказали мои товарищи, что я предал идею… Но я никогда ничего не утверждал, не послушав и не попробовав, на основании чужого авторитетного мнения. Своя голова на что? Я обычно проверяю и слушаю. Так вот мое мнение про класс D — супер! Технология, которой нам когда-то так не хватало.

Зашел как-то ко мне в офис мой давний друг с которым учились в школе. Общие интересы к технике, но разные дороги в жизни. А у меня стоят переделанные S-70 1983 года. От АС остались только НЧ динамики и фильтры. Остальное я просто выкинул, о чем нисколько не жалею. Динамики только пока не смог. Пищалки новые — изодинамика, старые проткнули дети. Корпуса заказные, ~140 литров, фазоинвертор, весят в сборе под 50 кг каждая. Я на них проверяю усилители. Ну и слушаю конечно в фоне.

— А помнишь, — сказал он, — такими АС мы в школе спортзал прокачивали! — Помню, — ответил я, — но знаешь, чего нам реально не хватало тогда? — Чего? — Класса D! — Да, вот отмотать бы назад 30 лет, убрать чей-то домашний «Амфитон 101» + вентилятор и поставить на стол девайс размером с книгу. — И порвать всех!

На данном этапе развития звуковоспроизводящего оборудования слабым звеном является не усилитель и не источник. Эти устройства уже давно по своим характеристикам превосходят возможности человеческого слуха. Самое проблемное — динамик. Особенно, как у нас любят — широкополосник — дешево и сердито. Обещание производителей, измерение АЧХ — это как получится, зависит от корпуса и общей реализации. Реально, на звук влияет столько факторов, что получить эквивалентный THD динамика ниже 1% на мидбасе уже серьезная проблема.

Середина и верх — там уже почти решили — теми же электростатами или серьезным уменьшением массы подвижной системы с одновременным увеличением прочности.

Размеры помещения и стоячие волны — тот еще квест, автолюбители любят его решать ежедневно, увеличивая мощность усилителей, размер и вес динамиков, ибо другим способом физику не обмануть.

А какая прелесть резонансы на диффузорах — кто сталкивался, не даст соврать.

Поэтому хочу высказать свое мнение — данные усилители ничем не уступают на слух хорошему АВ классу, за исключением лучшей отдачи на низах, и меньших габаритах самого корпуса. А по КПД рвут всех.

И это «лабораторка», я не ждал много от этих устройств. При хорошем исполнении параметры будут ещё лучше, если поставить это себе как цель.

А у меня пока всё. Спасибо за внимание!

P.S.

Недавно обратил внимание — производители звукового оборудования стали гордо писать на упаковках
«Class D»
. А ведь
«SMPS»
не писали никогда. Странно, да?