Мостовой усилитель мощности звуковой частоты. TDA7294: схема усилителя. Мостовая схема усилителя на TDA7294 Схема включения усилителя в мост

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Уральский государственный технический университет - УПИ

Кафедра РЭИС

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА НА ТЕМУ:

МОСТОВОЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ

Екатеринбург 2006

Введение

1. Цель работы

2. Техническое задание

3. Принцип работы схемы мостового УМЗЧ

4. Подготовка загрузочного файла

4.1 Составление описания модели схемы

4.2 Выбор проектных процедур анализа

4.2.1 Карта опций.

4.2.2 Карта установки шины печати.

4.2.3 Карта установки температуры.

4.2.4 Карта вычисления чувствительности на постоянном токе.

4.2.5 Расчет коэффициента передачи в режиме малого сигнала.

4.2.6 Расчет спектральной плотности внутреннего шума.

4.2.7 Переходный анализ.

4.2.8 Анализ Фурье-гармоник.

4.2.9 Анализ на переменном токе.

4.2.10 Печать результатов.

4.2.11 Метод Монте-Карло.

4.2.12 Карта подготовки данных для PROBE.

4.3 Составление загрузочного файла

5. Отладка модели схемы

6. Анализ результатов машинных расчетов

6.1 Влияние температурв на работу схемы

6.2 Спектральная плотность внутреннего шума

6.3 Переходная характеристика усилителя

6.4 Анализ Фурье-гармоник

6.5 Амплитудно-частотная характеристика

6.6 Анализ Монте-Карло

6.7 Определение чувствительности схемы

Заключение

Библиографический список

Приложение 1

Приложение 2

Введение

Усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) предназначен для передачи сигнала от источника возбуждения в нагрузку с одновременным усилением сигнала по мощности. УМЗЧ можно рассматривать и как генератор, в котором энергия источника питания преобразуется в энергию переменного сигнала под воздействием входного напряжения определенной амплитуды. Поэтому УМЗЧ также называют генераторами с внешним возбуждением.

УМЗЧ в общем случае характеризуются параметрами:

Pвых – выходная мощность;

К – коэффициент усиления;

КПД – коэффициент полезного действия;

DF – диапазон рабочих частот;

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика;

N – уровень нелинейных искажений;

Ш – уровень собственных шумов.

В данной работе исследуется мостовой УМЗЧ, характерными особенностями которого являются:

максимальное использование напряжения источника питания;

большая выходная мощность, относительно других простых УМЗЧ;

высокая устойчивость схемы;

широкая полоса воспроизводимых частот в режиме номинальной мощности;

сравнительно низкий коэффициент гармоник.

1. Цель работы

Курсовая работа предоставляет студенту следующие основные возможности:

научиться анализировать техническое задание (ТЗ) на проектирование радиоэлектронных схем (РЭС);

получить навыки поиска научно-технической литературы и работы с ней, правильного составления и оформления технической документации;

усвоить основные понятия и термины, относящиеся к автоматизированному проектированию РЭС;

познакомиться с основными проектными процедурами анализа схемотехнического этапа проектирования РЭА;

познакомиться с современным пакетом прикладных программ Pspice схемотехнического проектирования;

научиться ставить и выполнять задачи схемотехнического проектирования;

закрепить и углубить знания методов расчета РЭС и элементной базы РЭА.

2. Техническое задание

Спроектировать мостовой УМЗЧ, используя данные из журнала Радио №1/1992

Технические требования к УМЗЧ:

Номинальное входное напряжение 0.35 В

Номинальная (максимальная) выходная мощность при

сопротивлении нагрузки 4 Ом 16 (20) Вт

Номинальный диапазон частот 40…20000 Гц

Скорость нарастания выходного напряжения 25 В/мкс

Коэффициент гармоник при номинальной мощности на

Принципиальная электрическая схема мостового УМЗЧ

Рис.1.Принципиальная электрическая схема мостового УМЗЧ.

3. Принцип работы схемы мостового УМЗЧ

УМЗЧ состоит из двух усилителей. Рассмотрим один из них выполненный на базе усилителя мощности. Транзистор VT1 работает в каскаде усиления напряжения, а остальные VT2-VT5 (все с малыми напряжениями насыщения Uнас) образуют составной эмиттерный повторитель усиления мощности, работающий в режиме АВ (ток покоя 20…30 мА).

ДиодыVD1 и VD2 улучшают термостабильность тока покоя. Транзистор VT3 обеспечивает необходимую раскачку транзистора VT5.С целью максимального использования напряжения источника питания в усилитель введены две цепи положительной обратной связи (ПОС) по напряжению. При положительной полуволне усиливаемого сигнала работает цепь R5R6C3,а при отрицательной R8R9C4.

Отличительная особенность такой обратной связи – введение ее в цепь коллекторов транзисторов VT2,VT3,что приводит к увеличению амплитуды сигнала на выходе усилителя до максимально возможной.

С целью уменьшения нелинейных искажений, обусловленных несимметричностью плечоконечного каскада и действием ПОС, усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению через цепь R1 – R4C1.Параметры этой цепи подобраны таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить стабильность режима работы усилителя по постоянному току (за счет действия гальванической обратной связи через резистор R4),а с другой – получить необходимый коэффициент усиления всего усилителя (R1,R4).Глубина ООС по переменному напряжению – около 28 дБ. Конденсаторы С2 и С4 обеспечивают необходимую устойчивость всего усилителя.

Поскольку описываемый базовый усилитель инвертирующий, то с целью упрощения схемы сигнал на второй усилитель поступает с выхода первого через делитель напряжения R10R11.

4. Подготовка загрузочного файла

4.1 Составление описания модели схемы

На данном этапе был изучен входной язык Pspace, команды выполнения проектных процедур, вспомогательные и сервисные средства, встроенные модели компонентов РЭС.

В исходной схеме проставляются узлы, которые являются основой описания схемы. Элементы схемы описываются с помощью, узлов к которым они подключены и номинальными значениями. Причем резисторы и конденсаторы описываются непосредственно, а для диодов и транзисторов необходимы их модели, которые находятся в электронных библиотеках.

4.2 Выбор проектных процедур анализа

4.2.1 Карта опций

OPTIONS ACCT NOECHO NOPAGE RELTOL =0.0001

ACCT - обеспечивает в выходном файле статические сведения о моделируемой схеме и информацию об использованных вычислительных ресурсах – процессорным временем для выполнения различных процедур анализа;

NOECHO – запрещает печатание входного файла в выходном;

NOPAGE – запрещает нумерацию страниц, печатание титульной строки и заголовка для каждого вида анализа в выходном файле;

RELTOL – устанавливает относительную погрешность напряжения и тока.

4 .2.2 Карта установки шины печати

WIDTH OUT=80

Число 80 устанавливает количество колонок в выходном файле.

4.2.3 Карта установки температуры

TEMP 27 –60 80

Эта карта необходима для того, чтобы все виды анализа выполнялись при трех разных температурах.

4.2.4 Карта для вычисления чувствительности на постоянном токе

SENS V(13,18),

При использовании этой карты вычисляются малосигнальные чувствительности выходных переменных к изменениям внутренних параметров на постоянном токе.

4.2.5 Расчет коэффициента передачи в режиме малого сигнала

TF V (13,18) VIN ,

где VIN генератор входного сигнала.

С помощью этой директивы рассчитываются малосигнальные коэффициент передачи по постоянному току, входное и выходное сопротивление усилителя.

4.2.6 Расчет спектральной плотности внутреннего шума

NOISE V(13,18) VIN

Поскольку резисторы и объемные сопротивления транзисторов являются источниками теплового шума. Кроме того, полупроводниковые приборы имеют дробовой шум и фликкер-шум.С помощью карты.NOISE на каждой частоте частотного анализа рассчитывается спектральная плотность внутреннего шумового напряжения, которая пересчитывается ко входу цепи и к ее выходу.

4.2.7 Переходный анализ

TRAN / OP 1U 3M

С помощью этой директивы осуществляется расчет отклика цепи на заданное входное воздействие. Ключ ОР необходим для вывода подробной информации о рабочей точке.

4.2.8 Анализ Фурье-гармоник

FOUR V (6) V (13,18)

Эта карта выполняет спектральный анализ Фурье.

FOUR V(6) – коэффициент гармоник на входе схемы;

Собрать автомобильный сабвуфер своими руками дело довольно почетное, но часто бывают затруднения со сборкой усилителя мощности, который должен питать сабвуферную головку. Для довольно мощных головок штатной сети 12 Вольт мало, и нужно повысить напряжение преобразователем напряжения.

Без использования преобразователя высокой мощности добиться не реально, но что делать, если не имеется должного опыта постройки преобразователя, а собрать усилитель для саба очень хочется?

По законам физики, от сети 12 Вольт на нагрузку 4Ом нельзя получить мощность более 18 ватт — речь о чистой, синусоидальной выходной мощности, но исключения как всегда есть. Есть разновидность усилителей работающих в классе H, которые позволяют получить от сети 12 Вольт выходную мощность 50-70 ватт, но как право такие микросхемные усилители (к примеру — TDA1562) стоят очень дорого, следовательно, нужно искать другое решение.

Одним из дешевых вариантов УМЗЧ для сабвуфера мы сегодня и рассмотрим. Всем хорошо знакомая микросхема TDA2003 — является по крайней мере самой дешевой микросхемой УМЗЧ. Она питается от 12 Вольт и может обеспечить максимальную мощность до 10-12 ватт на нагрузку 2 Ом.

Главным достоинством самой микросхемы является то, что она может работать и с низкоомными динамическими головками с сопротивлением катушки вплоть до 2-х Ом. Микросхема по своей природе монофоническая (одноканальная), следовательно должна иметься мостовая схема, которая позволит поднять выходную мощность усилителя.

Мостовой вариант отлично работает со стандартными головками 4Ом в течении долгого времени, выходная мощность в районе 20Ватт, пиковые броски во время глубоких НЧ до 30 ватт, но разумеется это не чистая мощность. Но питать сабвуфер средней мощности с применением такого варианта умзч вполне реально.

Вторая особенность такого варианта — микросхема стоит копейки (пол доллара за штуку), элементная база в себе содержит всего несколько компонентов, с общей стоимостью не более доллара, но если есть старые платы, можно из них отпаять все нужные компоненты.

Микросхема работает в классе АВ, следовательно без перегрева никак не обойтись, поэтому обязательно микросхемы нужно установить на общий теплоотвод, при этом использовать дополнительные изолирующие прокладки не нужно, поскольку масса у микросхем единая.

Одной из главных проблем, с которой сталкивается разработчик ламповых усилителей, является изготовление выходных трансформаторов. В то время как силовой трансформатор должен лишь обеспечивать необходимые напряжения и токи и может быть намотан, в крайнем случае даже вручную, выходной трансформатор оказывает огромное влияние на характеристики усилителя. Способ намотки обмоток, размеры сердечника, даже толщина пластин сердечника и толщина прокладок между обмотками - все влияет на такие важные параметры усилителя, как выходная мощность, полоса пропускания частот и нелинейные искажения.

Желание сделать выходной трансформатор менее критичным к качеству его изготовления или вообще отказаться от его применения привело к появлению схем мостовых усилителей, в которых выходные лампы по постоянному току включены последовательно, а по переменному-параллельно. Поскольку выходные лампы в такой схеме работают в режиме катодного повторителя, а постоянная составляющая на нагрузке исключена, появляется возможность согласовать сопротивление нагрузки с помощью простого автотрансформатора, имеющего всего одну обмотку.

Схема такого мостового усилителя мощности приведена на рис.1.

Рис.1. Схема мостового усилителя мощности

Входной каскад на лампе Л1.1 типа 6Н8С построен по схеме с общим катодом и особенностей не имеет. Его назначение - обеспечить необходимый уровень чувствительности. Если источник сигнала имеет выходное напряжение не менее 4 В, то входной каскад можно исключить и подавать входной сигнал прямо на вход фазоинвертора.

Фазоинвертор (лампа Л2 тина 6Н9С) построен на основе балансного. Такой фазоинвертор отличается большим усилением и симметричностью разделенного сигнала. При желании иметь в усилителе балансный вход типа XLR, обладающий большей помехозащищенностью по сравнению с однотактным входом RCA, можно убрать конденсатор, заземляющий второй вход фазоинвертора, и подать на него сигнал.

Выходной каскад выполнен на двух лучевых тетродах Л3 и Л4. В качестве выходных ламп можно применять лампы 6П6С или 6П3С. С первыми выходная мощность составит около 12-13 Вт, со вторыми - до 25 Вт на канал. Еще более увеличить выходную мощность можно, применив лампы 6П27С, которые имеют максимальное анодное напряжение до 800 В и гораздо больший ток анода. Но для этого придется увеличить мощность силового трансформатора и изменить конструкцию усилителя.

Из-за параллельного включения ламп по переменному току оптимальное сопротивление нагрузки уменьшается в 4 раза и составляет для данной схемы около 900 Ом.

Выходной автотрансформатор намотан на сердечнике от стандартного трансформатора ТП-208-6 сечением 7,0 см2. Первичная обмотка имеет 650 витков провода диаметром 0,33 мм, вторичная - 84, третья - 35 витков провода диаметром 1,0 мм, четвертая - 531 виток провода диаметром 0,33 мм. Все обмотки должны быть намотаны в одну сторону. Их расположение на катушке показано на рис.2.

Рис.2. Расположение обмоток выходного трансформатора

Плечи выходного каскада питаются от отдельных выпрямителей. При изготовлении двухканального усилителя потребуются четыре обмотки анодного питания, что необходимо учитывать при подборе трансформатора.

Схема блока питания двухканального усилителя приведена на рис.3.

Рис.3. Схема блока питания

Силовой трансформатор намотан на сердечнике сечением не менее 16 см2 и имеет восемь обмоток. Первичная обмотка имеет 650 витков провода диаметром 0,5 мм; вторая, третья, четвертая и пятая обмотки имеют по 700 витков провода диаметром 0,2 мм; накальные обмотки – шестая и седьмая - имеют по 19 витков провода диаметром 1,0 мм; восьмая обмотка имеет 36 витков провода диаметром 0,2 мм и используется для питания устройства задержки включения анодного питания.

Устройство задержки включения питания выполнено по схеме на рис.4. Для двухканального усилителя это устройство должно иметь два реле типа РЭС22. В зависимости от рабочего напряжения реле их обмотки включаются параллельно или последовательно.

Рис.4. Схема задержки подачи анодного напряжения

Выпрямители и устройство задержки включения питания собраны на общей плате, рисунок которой приведен на рис.5.

Рис.5. Печатная плата блока питания

Как известно, главным недостатком ламп по сравнению с транзисторами является довольно низкая стабильность параметров. Так, ресурс большинства ламп составляет 500-1000 часов непрерывной работы. За этот период значительно изменяются основные параметры лампы - уменьшается крутизна характеристики, падает выходная мощность, изменяется внутреннее сопротивление. Особенно неприятно этот эффект проявляется в двухтактных выходных каскадах, так как изменение параметров ламп приводит к разбалансировке плеч двухтактного каскада, появлению постоянного тока через выходной трансформатор и увеличению нелинейных искажений. Стабилизация анодного питания в данном случае не помогает, поскольку лампа по постоянному току представляет собой сопротивление и изменение внутреннего сопротивления лампы вызывает нестабильность тока покоя. Большинство усилителей либо регулируется только один раз при изготовлении, либо имеет подстроечные элементы для установки тока покоя в течение срока службы усилителя, что требует периодического проведения профилактических работ с применением специального оборудования и некоторой квалификации от пользователя ламповой аппаратуры.

Для описанного усилителя мною было разработано простое устройство, автоматически поддерживающее заданный ток покоя выходных ламп. Схема этого устройства приведена на рис.6.

Рис.6. Схема стабилизатора тока покоя выходных ламп

Устройство представляет собой стабилизатор тока и состоит из нескольких функциональных узлов. Резистор Rдт представляет собой датчик тока, на котором создается напряжение падения, пропорциональное току покоя лампы. На транзисторах VT1 и VT2 собран маломощный источник опорного напряжения, с помощью которого задается ток покоя лампы. Данная схема источника опорного напряжения отличается малым потреблением тока (0,5-0,7 мА), что немаловажно, так как ток источника опорного напряжения не проходит через датчик тока и, следовательно, приводит к небольшой погрешности установки тока покоя. При желании источник опорного напряжения можно заменить светодиодом, который будет индицировать нормальный режим лампы. В этом случае нужно применить светодиод с рабочим током не более 1 мА. На составном транзисторе VT3VT4 собрано устройство сравнения и управления током. При уменьшении тока покоя лампы уменьшается падение напряжения на резисторе датчика тока Rдт. Поскольку напряжение на базе транзистора VT3 стабилизировано источником опорного напряжения, уменьшение напряжения на эмиттере VT3 вызывает открывание транзисторов VT3 и VT4, которые шунтируют резистор Rк и уменьшают общее сопротивление в цепи катода лампы, тем самым увеличивая ее анодный ток. При повышении анодного тока транзисторы VT3 и VT4 закрываются и увеличивают сопротивление в цепи катода. Для исключения влияния переменной составляющей катодного тока на постоянный ток покоя резистор R5 зашунтирован конденсатором большой емкости С1.

Это устройство включается в катодную цепь лампы вместо резистора автоматического смещения и питается за счет напряжения смещения. При испытании с несколькими лампами типа 6П6С и 6П3С такой стабилизатор тока обеспечивал постоянство тока покоя с точностью до 2%. По переменному току это устройство зашунтировано конденсатором большой емкости и не оказывает никакого влияния на усиление звуковых частот. Для каждой выходной лампы изготавливается такой стабилизатор тока на небольшой печатной плате и устанавливается вместо катодного резистора. Установив ток покоя выходного каскада равным 25-30 мА, можно использовать усилитель в классе А или АВ, устанавливая в выходном каскаде соответственно лампы 6П6С или 6П3С. Никаких регулировок при замене ламп при этом не нужно.

Все трансформаторы и лампы установлены непосредственно на корпусе усилителя. Трансформаторы закрыты кожухами, которые также крепятся к корпусу. Установочные размеры силового трансформатора зависят от конструкции самого трансформатора и поэтому не указаны на чертеже корпуса усилителя. Около всех трансформаторов должны быть просверлены отверстия для прокладки проводов. Их размеры и положение также достаточно произвольны. Плата блока питания крепится в подвале корпуса под силовые трансформатором на винтах крепления кожуха трансформатора. Монтаж каскадов усилителя выполнен навесным способом на выводах ламповых панелей. На винтах крепления ламповых панелей закреплены дополнительные контактные пластины из текстолита, на которых резаком прорезаны контактные площадки.

Порядок монтажа и регулировки усилителя такой же, что и у .

Дмитрий Климов

Ламповые усилители. Методика расчета и конструирования

Ну вот да - не сошлось у нас сейчас номер части и количество каналов - что уж тут поделаешь.
Теперь мы поговорим о 4-х канальных усилителях. В массе своей, они применяются для автомобильного использования, но, в принципе, ничто не мешает использовать их и дома - характеристики у них вполне приличные, особенно у последнего поколения.
Начнем с TDA7560 , производства SGS-Thomson . Как обычно - это мостовой усилитель класса АВ со всевозможнейшими защитами, функциями Mute и StanBy , а так же, как вы увидите на схеме - практически полным отсутствием навесных элементов.
Ну и еще эта микросхема замечательно работает на нагрузку в 2 Ома.

Схема включения:

То есть фактически, вы берете микросхему, присобачиваете к ней входы-выходы, и уже все работает. Сказка.
Выпускается это создание в корпусе Flexiwatt25 - опять же с полудырками по бокам.

Следующий наш пациент - микросхема TDA8571J от Philips Semiconductors . С этим усилителем товарищи решили повыпендриваться и сделали его мостовым, как и все, но при этом - класса В. А в остальном, как обычно - полный набор защит выхода и температурная защита. Причем, как и у прошлого препариуемого - навесных элементов практически не требуется.

Основные характеристики следующие:

Схема включения:

А усилок то - голый.
Ну если только заходите что на вход Mute повесить. Все это щасте в корпусе SOT411-1 , опять же с полудырками по бокам.

Все - по последней и хватит.
На этот раз последним будет усилитель TDA8591 все той же Philips Semiconductors. По своим характеристикам она похожа на предыдущего оратора, однако умеет работать с 2-х Омной нагрузкой и несколько мощнее. Плюс, у нее есть довольно хитрая схема обнаружения постоянного напряжения на выходе.

Основные характеристики следующие:

Схема включения:

Ну в общем, особо страшного ничего, надо только учесть, что для работы усилителя кнопку S1 необходимо замкнуть. Иначе он будет партизански молчать.
Что касается схемы обнаружения постоянного напряжения на выходе, то если она вам не нужна - можно выкинуть чуть ли не половину пассивных компонентов из схемы. Перечислим этих героев поименно: R1-R6, C14 . А 26 вывод микросхемы подключаем к общему проводу.

Ну вот, пока и все. Разумеется, тему Бриджампов мы на этом не заканчиваем - фактически, мы её только начали.