CC BY
264Компоненты и технологии, № 1'2005
Микросхемы УМЗЧ
для переносных компьютеров и игрушек
Усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ) для серийной аппаратуры, даже очень мощные и качественные, в последнее время превратились в очень простые конструкции. Они состоят из микросхемы УМЗЧ, которая, как правило, устанавливается на радиаторе, и около десятка деталей внешней обвязки. Правда, микросхем этих очень много. Каковы их особенности и отличия? На этот вопрос нельзя полноценно ответить в одной публикации. Поэтому настоящая статья посвящена только нескольким микросхемам, производимым компаниями Analog Devices и Maxim, маломощным и малогабаритным.
Игорь Безверхний
Удивительно, но большая часть публикаций по микросхемам УМЗЧ касается мощных и очень мощных усилителей. Каким-то образом вне рассмотрения оказались микросхемы, широко используемые в малогабаритной и миниатюрной аппаратуре. Одна из особенностей этих микросхем — это малые размеры. К аппаратуре, в которой применяются подобные УМЗЧ, можно отнести переносные компьютеры, коммуникаторы, радиотелефоны, схемы громкоговорящей телефонии и селекторной связи, электронные словари и органайзеры, музыкальные, говорящие игрушки и игры (в том числе карманные). Этот перечень можно продолжать до бесконечности. Попробуем заполнить образовавшуюся информационную нишу, рассмотрев в этой статье четыре микросхемы УМЗЧ, разработанные и произведенные фирмами Analog Devices и Maxim.
Часть упомянутой выше аппаратуры питается низким напряжением 3-5 В и даже менее. Кроме того, в большинстве из этих устройств используются химические источники питания. Поэтому к УМЗЧ, применяемых в этих устройствах, предъявляются повы-
шенные требования по экономичности. Для полноценного использования низковольтного источника питания в микросхемах УМЗЧ для перечисленных применений очень часто используются выходные каскады с мостовым выходом.
Основные принципы работы УМЗЧ с мостовым выходом
Такое устройство содержит два выходных усилителя (канала), сигналы на выходах которых имеют одинаковый размах, но противоположные фазы. Громкоговоритель включается между выходами этих каналов. На рис. 1 показаны две наиболее распространенные схемы управления мостового УМЗЧ — параллельная (рис. 1а) и последовательная (рис. 16).
Одним из достоинств мостового УМЗЧ является отсутствие разделительного конденсатора на выходе. Еще одна особенность, которая называется гаД-1о-гаД («от шины до шины»). Смысл ее в том, что при напряжении питания и максимальный размах выходного сигнала на каждом из выходов может дости-
а) с параллельным управлением
Рис. 1. Упрощенные схемы УМЗЧ с мостовым выходом
б) с последовательным управлением (метод Mastre-Slave)
Компоненты и технологии, № 1'2005
гать U (от шины «земля» до шины напряжения питания), а на мостовом выходе — 2U (без учета небольших падений напряжения на выходных транзисторах в режиме насыщения). Для уменьшения этих падений напряжения в выходных каскадах микросхем УМЗЧ применяют МДП-транзисторы с очень малым сопротивлением канала при открытии таких транзисторов до насыщения.
При параллельном управлении (рис. 1 а) один канал представляет собой инвертирующий усилитель, а другой — неинвертирующий. В мостовом УМЗЧ с последовательным (рис. 16) управлением оба канала являются инвертирующими усилителями. Такие усилители в англоязычной технической документации иногда называют Master-Slave (дословный перевод — «хозяин-раб», однако в технической литературе используется термин «ведущий-ведомый»). В этой схеме (см. рис. 16) сигнал на второй канал поступает с выхода первого через делитель (R1, R2), с помощью которого выравнивается размах инверсного сигнала на входе канала 2 относительно сигнала на входе канала 1, а значит, обеспечивается равенство размахов противофазных сигналов на выходах УМЗЧ, между которыми подключен громкоговоритель.
Микросхема УМЗЧ SSM2211 фирмы Analog Devices
Микросхема SSM2211 фирмы Analog Devices — это высококачественный УМЗЧ с мостовым выходом и плавным (без щелчка) включением и выключением. Микросхема способна развивать мощность 1 Вт на нагрузке сопротивлением 8 Ом или 1,5 Вт на нагрузке в 4 Ом. Диапазон рабочих температур — от -20 до +85 °C. Эта микросхема питается от одиночного источника питания +2,7... +5,5 В, но при этом сохраняет работоспособность при снижении напряжения до 1,75 В. При выходной мощности 1 Вт коэффициент нелинейных искажений (THD) не превышает 0,2%, а полоса рабочих частот составляет 4 МГц. Микросхема изготавливается в одном из двух 8-вывод-ных корпусов: SOIC (SSM2211S) для поверхностного монтажа или PDIP (SSM2211P). Максимальные размеры микросхемы SSM2211S — 4x5x1,75 мм, а SSM2211P — 7,11 х 10,92x4,95 мм.
SHUTDOWN
nVMA
BYPASS |2
0vmB
SSM2211
V-(GND)
Рис. 2. Функциональная схема микросхемы SSM2211 фирмы Analog Devices
Таблица 1. Назначение выводов микросхемы SSM2211 фирмы Analog Devices
Выводы Обозначение Назначение
1 SHUTDOWN Вход плавного выключения (активный уровень низкий)
2 BYPASS Вывод подключения внешнего развязывающего конденсатора
3 IN+ Неинвертирующий вход
4 IN- Инвертирующий вход
5 VOUTA Выход (моста) A
6 V+ «Плюс» напряжение питания
7 V- (GND) «Минус» напряжение питания (корпус)
8 VOUTB Выход (моста) B
1j SHUTDOWN С BYPASS [ IN+ [ IN - С її Hv01„b ]V-(GND) ]v+ HVOUIA
Рис. 3. Расположение выводов микросхемы SSM2211 фирмы Analog Devices
Функциональная схема SSM2211 показана на рис. 2, а расположение выводов — на рис. 3 (масштаб здесь и ниже не соблюдается). Назначение выводов микросхемы SSM2211 сведено в табл. 1.
Из рис. 2 видно, что в микросхеме используется последовательное управление каналами. Микросхема SSM2211 имеет дифференциальный вход (выводы 3 и 4) и мостовой выход (выводы 5 и 8). К выводу 2 подключается внешний конденсатор, которым заземляется по переменной составляющей неинвертирующий вход второго канала. Внутренние резисторы, подключенные к этим выводам, — это делитель начального смещения неинвертирующего входа второго канала. Два других внутренних резистора — это цепь ООС, определяющая коэффициент усиления канала 2, а значит, выравнивающая размах выходного сигнала на выводе 8 с размахом сигнала на выводе 5. При подаче низкого потенциала (до 1 В) на вывод 1 (SHUTDOWN) выходные каскады канала 2 плавно запираются и потребление микросхемы значительно снижается. При высоком уровне управляющего напряжения (более 1,7 В) на этом выводе схема управления напряжением смещения на работу микросхемы не влияет. Типовая схема включения микросхемы SSM2211 показана на рис. 4.
>чи^>
_i_ _ R,=20 к Сс=2,2 мк
RF=28 к С,=2,2 мк
Рис. 4. Типовое включение микросхемы SSM2211
Конденсатор CS блокирует источник питания по переменной составляющей тока микросхемы. В качестве этого конденсатора, как правило, используется конденсатор фильтра питания всего устройства. Конденсатор CC — разделительный, а CB блокирует неинвертирующие входы обоих каналов мостового усилителя. Благодаря внешнему соединению неинвертирующих входов (выводы 2 и 3) схема управления смещением управляет включением и выключением обоих каналов. Обратная связь через RF, а также ограничивающий резистор RI задают коэффициент усиления УМЗЧ по напряжению, определить который можно по формуле:
К„ =2х —
Ri
На рис. 5 показано, как можно подключить к микросхеме SSM2211. В этой схеме каждый канал нагружен на свой громкоговоритель. Такое подключение громкоговорителей (один провод и шина корпус) в отличие от мостового (двухпроводного) включения называют однопроводным и сокращенно обозначают SE (Single-Ended).
Если из схемы рис. 5 изъять один громкоговоритель, например BA1, что вполне допустимо, то коэффициент усиления УМЗЧ по напряжению будет вдвое меньше, чем при типовом включении, и определить его можно по формуле:
Ки= —
R,
Микросхема УМЗЧ SSM2250 фирмы Analog Devices
Микросхема SSM2250 фирмы Analog Devices представляет собой стереофонический УМЗЧ, основное применение которого — это звуковые карты различных компьютеров, включая настольные. Главная особенность этой микросхемы — это наличие двух режимов работы: «стерео» (при работе на головные телефоны) и «моно» (при работе на внутренний громкоговоритель компьютера). В режиме «моно» микросхема развивает мощность до 1,5 Вт на нагрузке в 4 Ом, в режиме «стерео» — до 250 мВт на головные телефоны (на нагрузке 32 Ом — номинальная мощность 2x90 мВт). Сопротивление применяемых в схеме головных телефонов лежит в пределах от 32 до 600 Ом (оптимальное сопротивление 80 Ом). Диапазон рабочих температур — от -40 до +85 °C.
Компоненты и технологии, № 1'2005
11 LEFT IN С Q] С no 3 LEFT OUT/BTL- 1 ¡4 ZINC Z] LEFT OUT/BTL- ^ VB1> Z1BTL+
SHUTDOWN [ SE/BTL [ ]v„ ]btl+ NCC LEFT IN С SHUTDOWN 1= SE/BTL С О ^
gnd[ ] BYPASS GNDIZ RIGHT IN 1= =1 BYPASS =1 RIGHT OUT
RIGHT IN С D RIGHT OUT NCC T ZINC 8
R,=20 к RF=28 к
Cc=2,2 мк C,=2,2 мк
□) SSM2250RM
б) SSM2250RU
Рис. 7. Расположение выводов микросхем SSM2250 в разных корпусах
Рис. 5. Подключение двух громкоговорителей к микросхеме SSM2211
Таблица 2. Назначение выводов микросхем SSM2250RM в корпусе MSOP (10 выводов) и SSM2250RU в корпусе TSSOP (14 выводов)
Функциональная схема SSM2250 показана на рис. 6.
Внимательный читатель легко заметит, что включение двух верхних усилителей (каналов мостовой схемы) и схемы управления смещением совпадает с функциональной схемой микросхемы SSM2211 (см. рис. 2). В этом устройстве добавлены схема переключения режимов «моно» и «стерео» (для телефонов) и еще один усилитель, который используется в качестве усилителя правого канала для головных телефонов. В режиме «моно» входы LEFT IN и RIGHT IN соединены внутренним ключом микросхемы, и ее работа не отличается от работы микросхемы SSM2211. В режиме «стерео» ( для телефонов) этот ключ разомкнут, а усилитель с выходом BTL+ заперт, и в качестве стереоусилителя для головных телефонов используются верхний и нижний (см. функциональную схему) усилители.
Микросхема изготавливается в одном из двух корпусов: MSOP, который имеет 10 выводов (SSM2250RM), или TSSOP с 14 выводами для поверхностного монтажа (SSM2250RU). Расположение выводов этих микросхем показано на рис. 7, а назначение их — в табл. 2.
Типовое включение микросхемы SSM2250RU изображено на схеме рис. 8. На этой схеме так
Выводы
SSM2250RM SSM2250RU
- 1 NC Свободный
1 2 LEFT IN Вход левого канала
2 3 SHUTDOWN Вход плавного выключения (активный уровень низкий)
3 4 SE/BTL Вход переключения «моно» (мост)/«стерео» (телефоны)
4 5 GND Корпус
5 6 RIGHT IN Вход правого канала
- 7 NC Свободный
- 8 NC Свободный
6 9 LEFT OUT/ BTL- Выход левого канала на телефон/инверсный выход моста
7 10 VDD Напряжение питания выходного каскада
8 11 BTL+ Прямой выход моста
9 12 BYPASS Вывод подключения внешнего развязывающего конденсатора
10 13 RIGHT OUT Выход правого канала на телефон
- 14 NC Свободный
же, как и на функциональной схеме, в скобках указаны номера выводов микросхемы SSM2250RM.
Назначение деталей: С1, С2, С4, С5 — разделительные конденсаторы; С3 — блокирует неинвертирующие входы обоих каналов мостового усилителя; R1, R2 — ограничивающие резисто-
Рис. 6. Функциональная схема SSM2250 фирмы Analog Devices
ры; R3, R4 — резисторы ООС; резисторы R5, R6 работают в режиме «моно» в качестве эквивалентов нагрузки при отключенных головных телефонах; R7 — подтягивающий резистор, задает высокий уровень на выводе SE/BTL.
Переключение режимов «моно» и «стерео» (для телефонов) осуществляется выключателем, который совмещен с гнездом подключения головных телефонов X1. В режиме «моно» контакты этого выключателя разомкнуты и через резистор R7 на вывод SE/BTL подается высокий потенциал. При этом схема переключения режимов обеспечивает включение среднего усилителя (по функциональной схеме рис. 6) и, если на выводе SHUTDOWN присутствует высокий потенциал, усилитель работает на громкоговоритель как усилитель с мостовым выходом. В режиме «стерео» в гнездо X1 (см. рис. 6) вставлен штекер головных телефонов, и телефон левого канала шунтирует малым сопротивлением вывод SHUTDOWN на корпус, уменьшая напряжение на этом выводе. При этом средний усилитель (по функциональной схеме) запирается, а верхний и нижний будут работать на головные телефоны.
Основные принципы работы УМЗЧ класса D
Наиболее радикальным способом повышения экономичности УМЗЧ является использование режима работы класса
Компоненты и технологии, № 1'2GGS
R3 20 к
Вход
левого
канала
Вход
правого
канала
Cl R1 1 мк 20 к
>o_s
SHUTDOWN
С2 R2 1 мк 20 к
>ч^
>т_
"^7"
С4 220 мк
------------------------------------------II Т—
XI
,(7) СЗ
З^НЬдіОмк
тГ
XI
(4|
С5 220 мк
R4 20k
-CZI—
R6 1 к
I
JSJ
< +
5 Е
Х<-
R 7
100 к
Рис. 8. Типовое включение микросхемы SSM2250RU(RM)
Б. В этом режиме выходные транзисторы могут находиться только в запертом или открытом до насыщения состоянии, то есть работают в ключевом режиме. В режиме работы класса Б входной аналоговый сигнал звуковой частоты преобразуется в импульсы прямоугольной формы одинаковой амплитуды, длительность которых пропорциональна мгновенному значению входного сигнала в момент выборки. Такое преобразование называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Усилители класса Б имеют максимальный КПД, так как основные потери энергии на выходных мощных ключах происходят только в момент переключения, при насыщении потери энергии минимальны и будут тем меньше, чем меньше сопротивление насыщенного ключа. Обычные усилители класса Б имеют КПД около 90% и достаточно большой коэффициент нелинейных искажений (до 10%), но применение новых технологий (ноу-хау производителей) позволяет снизить коэффициент нелинейных искажений до долей процента.
Упрощенная принципиальная схема УМЗЧ класса Б показана на рис. 9.
Основой этого усилителя является обычный двухтактный бестрансформаторный УМЗЧ с инвертирующим входом, который используется как широтно-импульсный модулятор (ШИМ). Назначение деталей схемы: С1, С2, С4 — разделительные конденсаторы; С5 — конденсатор фильтра питания; R1 — ограничивающий резистор; R2 — резистор ООС; L1, С3 — фильтр нижних частот.
—<+ I х<-
Генератор
пилообразного
напряжения
Рис. 9. Упрощенная принципиальная схема УМЗЧ класса D
На инвертирующий вход усилителя кроме сигнала звука поступает пилообразный (треугольный) сигнал с генератора. Частота работы этого генератора лежит обычно в пределах 200-600 кГц, но в некоторых случаях может быть уменьшена до 100 кГц или увеличена до 1,5 МГц. Размах «пилы» от генератора и коэффициент усиления УМЗЧ выбраны так, чтобы выходные транзисторы этого каскада открывались попеременно до насыщения при переходе напряжения «пилы» через ноль. Эпюры напряжений, поясняющие работу этой схемы, показаны на рис. 10.
До момента времени ^ (см. рис. 10) звуковой сигнал на входе отсутствует. «Пила» абсолютно симметрична, и на выходе (точка В рис. 9) образуются симметричные прямоугольные импульсы (меандр). Скважность этих импульсов равна 2. При подаче на вход усилителя сигнала НЧ «пила» будет смещаться вверх или вниз. Изменятся моменты отпирания транзисторов, и, как следствие, будут меняться длительность выходных им-
пульсов и пауза между ними (см. рис. 10). Причем эти параметры будут изменяться по закону входного низкочастотного сигнала звука. Полученный импульсный сигнал с переменной скважностью называют, как мы говорили выше, широтно-импульсным, или ШИМ-сигналом, а процесс его получения — широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). ШИМ-сигнал содержит большую по амплитуде низкочастотную (звуковую) составляющую, по форме повторяющую модулирующий сигнал. Далее ШИМ-сигнал поступает на ФНЧ (L1, C3), который пропустит НЧ-со-ставляющую на громкоговоритель и подавит ВЧ-составляющие ШИМ-сигнала. За счет процесса заряда-разряда конденсатора ФНЧ переменное напряжение на громкоговорителе будет зубчатым, что можно увидеть на увеличенном фрагменте нижнего графика на рис. 10. Эта зубчатость уменьшается с увеличением частоты генератора ШИМ, а также при увеличении постоянной времени ФНЧ.
На выходе современных УМЗЧ класса D используются мощные ключи на МДП-транзи-сторах, которые отличаются быстродействием и низким сопротивлением канала в открытом состоянии, что позволяет получить высокий КПД.
Микросхема УМЗЧ класса D MAX4295 фирмы Maxim
Микросхема MAX4295 фирмы Maxim — это высокоэкономичный монофонический УМЗЧ класса D с мостовым выходом и плавным включением и выключением (режим малого потребления). Микросхема способна развивать мощность до 2 Вт на нагрузке сопротивлением 4 Ом при напряжении питания 5 В либо 0,7 Вт при напряжении питания 3 В. Диапазон рабочих температур — от -40 до +85 °C. Микросхема питается от одиночного источника питания +2,7... +5,5 В. При выходной мощности 2 Вт и сопротивлении нагрузки (громкоговорителя) 4 Ом КПД составляет 87%. Одна из особенностей этой микросхемы — возможность программно устанавливать частоту генератора пилообразного напряжения (125, 250, 500 или 1000 кГц). Коэффициент нелинейных искажений (THD + N) не превышает 0,4%, при нагрузке 4 Ом и частоте ШИМ 125 кГц. Полоса рабочих частот составляет 1,5 МГц. Микросхема изготавливается в корпусе QSOP, который имеет 16 выводов. Функциональная схема микросхемы MAX4295 показана на рис. 11, а расположение выводов — на рис. 12. Назначение выводов этой микросхемы дано в табл. 3.
Микросхема MAX4295 содержит предварительный усилитель (верхний слева, см. рис. 11), схему управления питанием и схему защиты, генератор импульсного напряжения, схему сравнения (компаратор) ШИМ, два канала усиления, каждый из которых состоит из предвыходного каскада и выходного двухтактного ключевого каскада на комплиментарных МДП-транзисторах. Кроме того, на входе одного из этих каналов установлен инвертор. Напряжение питания на выходные каскады микросхемы поступает отдельно от напряжения питания остальной схемы. Частота работы генера-
Компоненты и технологии, № 1'2005
Рис.11. Функциональная схема микросхемы MAX4295 фирмы Maxim
AOUTL Œ о w 12 ss
INLIX mvcc
VcclX HlSHDN
PVcc IX Ж PVcc
OUT+L x UlOUT-L
PGNDX jEIpgnd
PGNDX jî]pgnd
OUT+R IX j7]OUT-R
PVCC Π33 PVcc
agndqü ni]FS2
inrE IXlFSl
AOUTR OU jI]vcm
Рис. 14. Расположение выводов микросхемы
MAX4297 фирмы Maxim
-Є
AGNDLl о w Jijss
PVcc IX 33 PVcc
out+X ЗЗоит-
pgndX 33PGND
VccX jEagnd
vcmX jT|FS2
INX 33FS1
AOUT fe" TlSHDN
Рис. 12. Расположение выводов микросхемы MAX4295 фирмы Maxim
|1,12 |4,ТЗ
выключения
Рис. 13. Типовое включение микросхемы MAX4295
Є-
Таблица 3. Назначение выводов микросхем MAX4295 и MAX4297 фирмы Maxim
Выводы
MAX4295 MAX4297 Назначение
1, 12 10 AGND Корпус аналоговой части
2, 15 4, 9, 16, 21 PVCC Напряжение питания выходного каскада
3 - OUT+ Прямой выход
- 5 OUT+L Прямой выход левого канала
- 8 OUT+R Прямой выход правого канала
4, 13 6, 7, 8, 9 PGND Корпус выходного каскада
5 3, 23 VCC Напряжение питания аналоговой части
6 13 VCM Контрольный вывод напряжения смещения (0.3УСС)
7 - IN Вход
- 2 INL Вход левого канала
- 11 INR Вход правого канала
8 - AOUT Выход предварительного усилителя
- 1 AOUTL Выход предварительного усилителя левого канала
- 12 AOUTR Выход предварительного усилителя правого канала
9 22 SHDN Вход плавного выключения (без щелчка)
10 14 FS1 Входы выбора частоты ШИМ
11 15 FS2
14 - OUT- Инверсный выход
- 20 OUT-L Инверсный выход левого канала
тора импульсного напряжения, то есть частота ШИМ, определяется логическими уровнями на выводах ББІ и Б82 (см. табл. 4).
При подаче низкого уровня напряжения на вход плавного выключения 8НБЫ микросхема плавно запирается, ток потребления снижается до 1,5 мкА и менее.
Типовое включение микросхемы МАХ4295 изображено на рис. 13. Рассмотрим назначение деталей этой схемы: С1 — разделительный конденсатор; С2, С3 — конденсаторы фильтра питания; С4, С5 — конденсаторы фильтра питания выходных каскадов; С6 — конденсатор схемы плавного включения; Ш — ограничивающий резистор; И2 — резистор ООС; L1, С7 и L2, С8 — фильтры нижних частот.
Таблица 4. Программирование частоты ШИМ
Логические уровни на входах
FS1 FS2
0 0 125 кГц
0 1 250 кГц
1 0 500 кГц
1 1 1,0 МГц
Компоненты и технологии, № 1'2005
Л JZ
Сигнал
Vcc PVœ
FS1
OUT+L
FS2 MAX4297
OUT-L
AOUTL
INL OUT+R
AOUTR
INR OUT-R
SHDN VCM
SS AGND PGND
X
выключения
Рис. 15. Типовое включение микросхемы MAX4297
СТЦЗ fïô ГХу.
'-'-г -1- —і в, і
Особенности микросхемы УМЗЧ класса D MAX4297 фирмы Maxim
Микросхема MAX4297 фирмы Maxim — это высокоэкономичный стереофонический УМЗЧ класса D с мостовыми выходами и плавным включением-выключением. Эта микросхема отличается от MAX4295 наличием второго мостового канала усиления клас-
са Б, включая компаратор ШИМ, но имеет общие каскады — генератор «пилы», схему управления питанием и схему защиты. Микросхема изготавливается в корпусе 880Р, который имеет 24 вывода. Расположение выводов микросхемы МАХ4297 изображено на рис. 14, а назначение выводов — в таблице 3.
Типовое включение микросхемы МАХ4297 показано на рис. 15.
Разобраться в назначении деталей этой схемы читатель может самостоятельно, сравнив эту схему со схемой включения микросхемы МАХ4295. ММ
Дополнительную информацию о представленных в настоящей статье микросхемах можно найти на сайтах производителей:
• http://www.analog.com
• http://www.maxim-ic.com.
Литература
1. Савельев. Е. Усилитель класса D для сабвуфера // Радио. 2003. № 5.
2. Дайджест «Новая техника и технология» // Радиохобби. 2001. № 2.
3. Колганов А. Автомобильный УМЗЧ с блоком питания // Радио. 2002. № 7.
4. Безверхний И. Современные микросхемы для УМЗЧ класса D фирмы MPS // Современная электроника. 2004. № 1.
5. Low Distortion 1.5 Watt Audio Power Amplifier SSM2211. Analog Devices.
6. Mono 1.5 W/Stereo 250 mW Power Amplifier SSM2250. Analog Devices.
7. Mono/Stereo 2W Switch-Mode (Class-D) Audio Power Amplifiers MAX4295/MAX4297. MAXIM.
