№7 / 2009 Статья 5 Усилители класса D компании Texas Instruments

Традиционные аудиоусилители классов А, В и АВ для мобильных устройств с автономным питанием уже давно перестали устраивать разработчиков из-за их низкого КПД и, как следствие, высокого расхода энергии батареи или аккумулятора. Усилители класса D имеют гораздо более высокий КПД, поэтому именно они наилучшим образом удовлетворяют предъявленным требованиям к современной портативной технике. Эти усилители применяются и в стационарной технике (телевизоры, персональные компьютеры, домашние или автомобильные стереосистемы и даже мощная усилительная техника для театров и концертных залов) благодаря уменьшению габаритов, веса и цены при сопоставимых параметрах качества с приборами предыдущих поколений классов А, В и АВ. Достижения полупроводниковой технологии последних лет позволили компании Texas Instruments разработать микросхемы для создания высококачественных усилителей звуковой частоты класса D с максимальной выходной мощностью от единиц до нескольких сотен Вт.

Рассеиваемая мощность усилителя, работающего в классе D, существенно меньше, чем у аналогичных приборов класса АВ, работающих в тех же режимах. Это проиллюстрировано на рис. 1 (в качестве примера взята микросхема Texas Instruments TPA2012D2, предназначенная для усилителей портативной техники).

 

Мощности, рассеиваемые усилителями классов АВ и D при одинаковых режимах измерения

 

Рис. 1. Мощности, рассеиваемые усилителями классов АВ и D при одинаковых режимах измерения

Из рисунка 1 хорошо видно, что при одинаковой выходной мощности усилитель класса D имеет потери мощности в несколько раз меньшие по сравнению с аналогичными усилителями класса АВ во всем диапазоне выходных мощностей. Наибольший выигрыш получается при средней выходной мощности. Именно в этом режиме чаще всего и используется аппаратура для воспроизведения звука. Отмеченные свойства дополняет рис. 2, иллюстрирующий зависимости КПД от выходной мощности этих же усилителей при режимах измерения, аналогичных рис. 1. При малой и средней мощностях КПД усилителя класса D в два-три раза выше, чем у усилителя класса АВ.

 

Зависимости КПД от выходной мощности для усилителей класса D и класса АВ при одинаковых режимах измерения

 

Рис. 2. Зависимости КПД от выходной мощности для усилителей класса D и класса АВ при одинаковых режимах измерения

Сравнение эффективности и рассеиваемой мощности для усилителей с очень низкой выходной мощностью может оказаться не в пользу усилителей класса D из-за относительно высокой мощности высокочастотного модулятора, преобразующего аналоговый сигнал в прямоугольные импульсы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). По этой причине линейные усилители класса АВ при очень низких выходных мощностях иногда оказываются предпочтительнее класса D. Принцип работы простейшего усилителя класса D без обратной связи поясняет рисунок 3.

 

Структурная схема усилителя класса D без обратной связи

 

Рис. 3. Структурная схема усилителя класса D без обратной связи

Входной сигнал предварительного усилителя модулируется треугольными колебаниями для преобразования в широтно-модулированные импульсы, которые усиливаются выходным каскадом, работающим в ключевом режиме. Далее LC-фильтр низких частот интегрирует импульсы разной длительности и срезает высокочастотные составляющие спектра, оставляя только выделенный сигнал звуковой частоты. Осциллограммы процесса ШИМ для усилителя класса D, выполненного по мостовой схеме, приведены на рис. 4. Модуляция в усилителях класса D может осуществляться разными способами, но наиболее распространена именно ШИМ.

 

Осциллограммы ШИМ в мостовом усилителе класса D

 

Рис. 4. Осциллограммы ШИМ в мостовом усилителе класса D

Звуковой сигнал сравнивается с сигналом пилообразной или треугольной формы фиксированной частоты. Первый усилитель на рисунке 3 необходим для предварительного усиления и смещения сигнала до нужного уровня. Второй усилитель и генератор треугольного напряжения образуют модулятор ШИМ. На рисунке 4 длительность широтно-модулированных импульсов пропорциональна уровню входного аналогового сигнала. Мостовой схеме необходимы импульсы ШИМ противоположной полярности для управления другим плечом моста. На рисунках 3 и 4 показаны упрощенные варианты схем. В реальных схемах усилителей класса D обязательно вводятся формирователи времени паузы между импульсами для исключения одновременного включения двух выходных транзисторов и устранения сквозных токов. Частота модуляции и среза низкочастотного фильтра обычно выбирается в несколько раз больше верхней граничной частоты пропускания усилителя. К выбору элементов LC-фильтра необходимо относиться очень внимательно. Этому вопросу уделяется особое внимание в документации производителя и руководствах по применению.

Texas Instruments выпускает микросхемы для создания усилителей класса D низкой, средней и высокой мощности. Параметры для усилителей класса D низкой мощности приведены на рис. 5 и в табл. 1.

 

Микросхемы для усилителей класса D с низкой и средней выходной мощностью

 

Рис. 5. Микросхемы для усилителей класса D с низкой и средней выходной мощностью

Таблица 1. Микросхемы Texas Instruments для усилителей класса D c низкой и средней выходной мощностью (аналоговый вход) 

Наименование Описание Стерео/ моно Pвых, Вт Rнагр. (min), Ом Напряжение
питания, B
Half Power THD+N* (%),
F = 1 кГц
PSSR** дБ Корпус(а)
(min) (max)
TPA2017D2 SmartGain, AGC/DRC, GPIO интерфейс Стерео 2,8 4 2,5 5,5 0,2 80 QFN-20
TPA2000D2 усилитель средней мощности Стерео 2,5 3 4,5 5,5 0,05 77 TSSOP-24
TPA2000D4 усилитель для стереотелефонов Стерео 2,5 4 3,7 5,5 0,1 70 TSSOP-32
TPA2012D2 усилитель в корпусе WCSP 2 x 2 мм Стерео 2,1 4 2,5 5,5 0,2 75 WCSP-16, QFN-20
TPA2016D2 SmartGain, AGC/DRC, I2C интерфейс Стерео 1,7 8 2,5 5,5 0,2 80 WCSP-16
TPA2001D2 усилитель низкой мощности Стерео 1,25 8 4,5 5,5 0,08 77 TSSOP-24
TPA2100P1 для пьзокерамического излучателя Моно 19 Vpp 1,5 мкФ (пьезо) 2,5 5,5 0,2 90 WCSP-16
TPA2035D1 дифференциальный вход, 1,5 х 1,5 мм Моно 2,75 4 2,5 5,5 0,2 75 WCSP-9
TPA2032/3/4D1 дифференциальный вход, фикс. усиление Моно 2,75 4 2,5 5,5 0,2 75 WCSP-9
TPA2013D1 встроенный повышающий DC/DC-преобр. Моно 2,7 4 1,8 5,5 0,2 95 WCSP-16, QFN-20
TPA2036D1 защита от КЗ с автовосстановлением Моно 2,5 4 2,5 5,5 0,2 75 WCSP-9
TPA2031D1 аналог TPA2010D1, но с плавным стартом Моно 2,5 4 2,5 5,5 0,2 75 WCSP-9
TPA2010D1 дифференциальный вход;1,45 х 1,45 мм Моно 2,5 4 2,5 5,5 0,2 75 WCSP-9
TPA2018D1 SmartGain AGC/DRC, I2C интерфейс Моно 1,7 8 2,5 5,55 0,2 80 WCSP
TPA2014D1 встроенный повышающий DC/DC-преобр. Моно 1,5 8 2,5 5,5 0,1 91 WCSP-16, QFN-20
TPA2006D1 дифференциальный вход Моно 1,45 8 2,5 5,5 0,2 75 QFN-8
TPA2005D1 дифференциальный вход Моно 1,4 8 2,5 5,5 0,2 75 MSOP-8, QFN-8, BGA-15
*Half Power THD+N – (нелинейные искажения + шум) при половине мощности от макс. значения (измерено для частоты 1 кГц). **PSSR – Power Supply
Rejection Ratio – коэффициент подавления помех по цепям питания

В первую очередь эти микросхемы предназначены для встраивания в мобильные устройства. Подавляющее большинство таких усилителей расчитано на напряжение питания от 2,5 до 5,5 В, но микросхема одноканального усилителя TPA2013D1 имеет расширенный диапазон напряжений питания от 1,8 до 5,5 В благодаря встроенному повышающему DC/DC-преобразователю (Boosted DC/DC). Это позволило обеспечить постоянство выходной мощности при всем диапазоне рабочих напряжений питания по сравнению с обычными усилителями класса D, что наглядно проиллюстрировано на рис. 6.

 

Зависимости выходной мощности для TPA2013D1 и для обычных усилителей класса D

 

Рис. 6. Зависимости выходной мощности для TPA2013D1 и для обычных усилителей класса D

При выходной мощности около 1,5 Вт в диапазоне напряжений питания от 2,3 до 4,8 В характеристика находится в пределах ±0,1 Вт. Большинство обычных усилителей этого класса имеют практически линейную зависимость максимальной выходной мощности от напряжения питания. Преимущество усилителей со встроенным повышающим DC/DC-преобразователем – возможность работы при гораздо более низком напряжении питания батареи (или при ее более глубоком разряде), что повышает степень использования автономного источника питания.

Структурная схема микросхем TPA2013D1 и TPA2014D1 со встроенным повышающим DC/DC-конвертером показана на рис. 7.

 

Структурная схема TPA2013D1 и TPA2014D1 со встроенным повышающим DC/DC-преобразователем

 

Рис. 7. Структурная схема TPA2013D1 и TPA2014D1 со встроенным повышающим DC/DC-преобразователем

В микросхемах предусмотрена защита от нежелательных переключений при коммутации повышающего DC/DC-преобразователя. Встроенный стабилизатор обеспечивает стабильность характеристик в широком диапазоне напряжений питания. При необходимости выход повышающего DC/DC-преобразователя можно использовать для питания маломощных дополнительных схем портативного устройства. Если внимательно посмотреть на параметр PSSR (коэффициент подавления помех по цепям питания) в табл. 1, то бросается в глаза, что именно усилители со встроенными повышающими DC/DC имеют существенно лучшие значения этого параметра (91…95 дБ) по сравнению с остальными усилителями этого класса.

Среди усилителей с низкой и средней выходной мощностью есть и специализированный для работы на пьезокерамический излучатель с допустимой емкостью до 1,5 мкФ. При этом размах выходного напряжения на емкостной нагрузке достигает 19 В (от пика до пика) при минимально допустимом напряжении питания всего 2,5 В. Необходимо обратить внимание, что параметр (THD + N), характеризующий суммарные гармонические искажения вместе с шумовыми составляющими, измеряется на частоте 1 кГц при половине мощности от допустимого максимального значения.

На рис. 8 приведен навигатор для выбора микросхем усилителей класса D высокой мощности (отсчет высокой мощности для этого класса усилителей Texas Instruments начинает с 3 Вт).

 

Микросхемы для усилителей класса D высокой мощности

 

Рис. 8. Микросхемы для усилителей класса D высокой мощности 

Основные параметры этих микросхем сведены в табл. 2. Некоторые из микросхем, приведенных на рис. 8 и в табл. 2, относятся только к анонсированной продукции, поэтому возможность поставки образцов необходимо проверять на сайте производителя.

Таблица 2. Микросхемы Texas Instruments для усилителей класса D c высокой выходной мощностью (аналоговый вход)

Наименование Описание Pвых Вт Rнагр.
(min), Ом
Напряжение
питания, B
Half Power THD+N* (%),
F = 1 кГц
PSSR**, дБ Корпус(а)
(min) (max)
TAS5630 300 Вт усилитель (стерео)
с ОС
300 TBD*** TBD 50 TBD 80 QFP-64
TAS5615 150 Вт усилитель (стерео)
с ОС
150 TBD TBD 50 TBD 80 QFP-64
TAS5412 усилитель (стерео) с несимметричным входом 100 2 6 24 0,04 75 HTQFP-64
TAS5422 усилитель (стерео) с симметричным входом 100 2 6 24 0,04 75 HTQFP-64
TAS5414A усилитель (квадро) с несимметричным входом 45 2 8 22 0,04 75 SSOP-36, HTQFP-64
TAS5424A усилитель (квадро) с симметричным входом 45 2 8 22 0,04 75 SSOP-44
TPA3106D1 усилитель (моно) со входом синхронизации 40 4 10 26 0,2 70 HLQFP-32
TPA3123D2 усилитель (стерео) с несимметричным входом 25 4 10 30 0,08 60 HTSSOP-24
TPA3100D2 усилитель (стерео) 20 Вт 20 4 10 26 0,1 80 HTQFP-48, QFN-48
TPA3001D1 усилитель (моно) 20 Вт 20 4 8 18 0,06 73 HTSSOP-24
TPA3110D2 усилитель (стерео) с ограничением мощности 15 4 8 26 <0,1 70 TSSOP-28
TPA3122D2 усилитель (стерео) в корпусе DIP-20 15 4 10 30 <0,15 60 PDIP-20
TPA3107D2 усилитель (стерео) 15 Вт 15 6 10 26 0,08 70 HTQFP-64
TPA3124D2 усилитель (стерео) 15 Вт
с функцией Mute****
15 4 10 26 0,04 60 TSSOP-24
TPA3121D2 усилитель (стерео) с несимметричным входом 15 4 10 26 0,04 60 TSSOP-24
TPA3004D2 усилитель (стерео) c регулировкой громкости 12 4 8,5 18 0,1 80 HTQFP-48
TPA3125D2 усилитель (стерео) в корпусе DIP-20 10 4 10 26 0,15 60 PDIP-20
TPA3101D2 усилитель (стерео) 10 Вт 10 4 10 26 0,1 80 HTQFP-48, QFN-48
TPA3111D1 усилитель (моно) с ограничением мощности 10 4 8 26 <0,1 70 TSSOP-28
TPA3002D2 усилитель (стерео) c регулировкой громкости 9 8 8,5 14 0,06 80 HTQFP-48
TPA3007D2 усилитель (стерео) 6.5 Вт 6,5 8 8 18 0,2 73 TSSOP-24
TPA3009D2 усилитель (стерео) c регулировкой громкости 6 8 8,5 14 0,045 80 HTQFP-48
TPA3005D2 усилитель (стерео) 6 Вт 6 8 8 18 0,1 80 HTQFP-48
TPA3003D2 усилитель (стерео) c регулировкой громкости 3 8 8,5 14 0,2 80 TQFP-48
TPA2008D2 усилитель (стерео) c регулировкой громкости 3 3 4,5 5,5 0,05 70 HTSSOP-24
*Half Power THD+N – (нелинейные искажения + шум) при половине мощности от макс. значения (измерено для частоты 1 кГц) **PSSR – Power Supply Rejection Ratio – коэффициент подавления помех по цепям питания ***TBD – To Be Documented – данные будут указаны производителем позднее ****Mute – приглушение звука

На основе микросхем Texas Instruments можно спроектировать усилитель класса D с выходной мощностью до 300 Вт при максимальном напряжении питания до 50 В.

Большой интерес для разработчиков могут представлять новые двухканальные микросхемы для усилителей этого класса TPA3122D2 и TPA3125D2 в корпусе DIP20.

 

Зависимости выходной мощности от напряжения питания для TPA3122D при включении каждого канала в режиме SE

 

Рис. 9. Зависимости выходной мощности от напряжения питания для TPA3122D при включении каждого канала в режиме SE

 

Зависимости выходной мощности от напряжения питания для TPA3122D при включении двух каналов по мостовой схеме

 

Рис. 10. Зависимости выходной мощности от напряжения питания для TPA3122D при включении двух каналов по мостовой схеме 

Этот корпус удобен для монтажа и макетирования по сравнению с миниатюрными корпусами BGA с шариковыми выводами. Схема включения этих стереоусилителей отличается простотой и приведена на рис. 11. Синим цветом выделены параметры, соответствующие TPA3125D2 (мощность до 10 Вт), красным цветом – TPA3122D2 (мощность до 15 Вт).

 

Схема включения микросхем TPA3125D2 и TPA3122D2 для 10 и 15 Вт соответственно

 

Рис. 11. Схема включения микросхем TPA3125D2 и TPA3122D2 для 10 и 15 Вт соответственно 

Микросхемы имеют два входа регулировки усиления (четыре уровня), а также возможность отключения (Shutdown) и приглушения звука (Mute). На рис. 11 показан самый распространенный вариант включения двухканального усилителя в режиме SE (Single Ended Output – нагрузка подключается к каждому каналу – режим «стерео»). Для существенного увеличения выходной мощности рассматриваемых микросхем можно из двух каналов одной микросхемы создать одноканальный мостовой усилитель (схема BTL – Bridge Tied Load – подключение нагрузки к мостовой схеме). Принципиальные схемы включения микросхем TPA3125D и TPA3122D для мостового варианта усилителя класса D приведены в документации производителя для этих усилителей. На рис. 9 и 10 показаны зависимости выходной мощности от напряжения питания при одинаковых условиях измерения для схем в режиме «стерео» (SE) и для варианта мостового включения (схема BTL).

Измерение максимальной выходной мощности оценивается при конкретном значении суммы всех гармонических искажений и шумовых составляющих (THD + N). При переходе к мостовой схеме включения на одинаковых напряжениях питания, сопротивлении нагрузки и суммарных искажениях сигнала, выходная мощность возрастает в несколько раз. Поэтому в мощных усилителях обычно используют именно мостовую схему включения. Всего одна микросхема в корпусе DIP20 при таком подключении позволяет создать усилитель с максимальной выходной мощностью около 50 Вт при напряжении питания 30 В.

 

Шумы и нелинейные искажения

Основная информация о звуковом сигнале кодируется шириной импульсов на выходе модулятора. Необходимость введения задержки на величину паузы становится причиной нелинейных искажений, пропорциональных отклонению от точной длительности импульса модуляции. Сильное влияние на шумы оказывает коэффициент ослабления помех от источника питания PSSR. Из-за малого сопротивления шумы источника питания могут напрямую передаваться в громкоговоритель. ФНЧ срезает высокочастотные составляющие, но пропускает низкочастотные шумы. Для качественного звучания следует выбирать микросхемы с высоким значением коэффициента ослабления помех от источника питания. Эффективное решение перечисленных проблем – введение глубокой обратной связи, как это делается во многих линейных усилителях. Обратная связь с входа ФНЧ сильно повышает PSSR и ослабляет суммарные искажения и шумы, появляющиеся до LC-фильтра. Искажения в самом фильтре можно уменьшить включением громкоговорителя в цепь ОС. В грамотно спроектированных усилителях класса D с замкнутой ОС реально достижим суммарный коэффициент нелинейных искажений менее 0,01%.

 

Основные выводы

Все больше новых аудиоустройств создается на основе экономичных и эффективных усилителей класса D. Многолетний опыт и новые технологии компании Texas Instruments позволяют ей уверенно чувствовать себя на этом рынке с высокой конкуренцией. Усилители класса D позволяют, повышая эффективность, в несколько раз снизить габариты за счет исключения или значительного уменьшения размеров радиаторов в мощных схемах. Требуется менее мощный источник питания, что дополнительно снижает цену усилительного прибора. Для многих рассмотренных в статье микросхем Texas Instruments выпускает демонстрационные платы. Ознакомиться с решениями для построения аудиосистем можно на сайте производителя в разделе www.ti.com/audio, а по системам управления питанием – в разделе www.power.ti.com.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка – e-mail: analog.vesti@compel.ru