Мостовой усилитель мощности звуковой частоты. TDA7294: схема усилителя. Мостовая схема усилителя на TDA7294 Мостовой усилитель нч

Мостовое включение - подключение усилителя к громкоговорителям, при котором каналы стереоусилителя работают в режиме моноблочных усилителей мощности. Они усиливают один и тот же сигнал, но в противофазе. При этом громкоговоритель включается между двумя выходами каналов усиления.

Мостовое включение позволяет значительно увеличить мощность усилителя.

Выходное напряжение на нагрузке оказывается вдвое больше, поэтому при одном и том же напряжении питания и нагрузке выходная мощность усилителя по мостовой схеме теоретически оказывается в 1,5 - 4 раза больше, чем у отдельно взятого усилителя. По такой схеме выполнены усилители мощности современных головных аппаратов. Возможность мостового включения предусматривается практически во всех моделях дополнительных усилителей.

Один из способов увеличить выходную мощность усилителя при низком напряжении питания - включить его по мостовой схеме . Два одинаковых каскада или усилителя включаются в противофазе и работают на общую нагрузку. Громкоговоритель подключается непосредственно к мостовой схеме без использования разделительных конденсаторов. Выходное напряжение на нагрузке оказывается вдвое больше, поэтому при одном и том же напряжении питания и нагрузке выходная мощность усилителя по мостовой схеме теоретически оказывается в 4 раза больше, чем у отдельно взятого усилителя. По такой схеме выполнены усилители мощности современных головных аппаратов. Возможность мостового включения предусматривается практически во всех моделях дополнительных усилителей.

Наряду с достоинством - большей выходной мощностью, мостовым усилителям свойственны и недостатки. В первую очередь - повышенный примерно в 1,2-1,7 раза по сравнению с исходными усилителями коэффициент гармоник и вдвое худший коэффициент демпфирования (при неизменном сопротивлении нагрузки). Теоретически коэффициент гармоник изменяться не должен, но на практике увеличение происходит из-за различия характеристик реальных (даже одинаковых) усилителей. Ухудшение демпфирования также понятно - выходные сопротивления усилителей сложились.
Выходы встроенных усилителей головных аппаратов имеют потенциал Uпит/2 относительно массы. Поэтому случайное замыкание нагрузки на массу приводит к выходу усилителя из строя, если он не имеет систем защиты. Впрочем, к звуку это уже имеет весьма отдаленное отношение, об этом нужно помнить при монтаже. Однако это свойство можно использовать. Так, входы высокого уровня дополнительных усилителей нередко оборудованы датчиком напряжения, и постоянное напряжение на выходе головного устройства используется как сигнал включения дополнительного усилителя.

Довольно простая, Повторить ее сможет даже человек, не очень сильный в электротехнике. УНЧ на этой микросхеме будет идеальным для использования в составе акустической системы для домашнего компьютера, телевизора, кинотеатра. Преимущество его в том, что не требуется тонкая наладка и настройка, как в случае с транзисторными усилителями. А уж что говорить про отличие от ламповых конструкций - габариты намного меньше.

Не требуется высокого напряжения для питания анодных цепей. Конечно, присутствует нагрев, как и в ламповых конструкциях. Поэтому в том случае, если планируется использование усилителя на протяжении долгого времени, лучше всего установить кроме алюминиевого радиатора еще и хотя бы небольшой вентилятор для осуществления принудительного обдува. Без него на микросборке TDA7294 схема усилителя будет работать, но велика вероятность перехода в защиту по температуре.

Почему TDA7294?

Эта микросхема пользуется большой популярностью уже более 20 лет. Она завоевала доверие у радиолюбителей, так как у нее очень высокие характеристики, усилители на ее основе простые, повторить конструкцию сможет любой, даже начинающий радиолюбитель. Усилитель на микросхеме TDA7294 (схема приведена в статье) может быть как монофоническим, так и стереофоническим. Внутреннее устройство микросхемы состоит из Усилитель звуковой частоты, построенный на этой микросхеме, относится к классу АВ.

Достоинства микросхемы

Преимущества использования микросхемы для :

1. Очень большая мощность на выходе. Порядка 70 Вт, если нагрузка имеет сопротивление 4 Ом. В данном случае применяется обычная схема включения микросхемы.

2. Около 120 Вт при нагрузке 8 Ом (в мостовой схеме).

3. Очень низкий уровень посторонних шумов, искажения несущественные, воспроизводимые частоты лежат в диапазоне, полностью воспринимаемом человеческим ухом — от 20 Гц до 20 кГц.

4. Питание микросхемы может производиться от источника постоянного напряжения 10-40 В. Но есть небольшой недостаток — необходимо использовать двухполярный источник питания.

Стоит обратить внимание на одну особенность — коэффициент искажений при этом не превышает 1 %. На микросборке TDA7294 схема усилителя мощности настолько простая, что даже удивительно, как она позволяет получить такое качественное звучание.

Назначение выводов микросхемы

А теперь более подробно о том, какие выводы имеются у TDA7294. Первая ножка — это «сигнальная земля», соединяется с общим проводом всей конструкции. Выводы «2» и «3» — инвертирующий и неинвертирующий входы соответственно. «4» вывод также является «сигнальной землей», соединенной с общим проводом. Пятая ножка в усилителях звуковой частоты не используется. «6» ножка - это вольт-добавка, к ней подключается электролитический конденсатор. «7» и «8» выводы — плюс и минус питания входных каскадов соответственно. Ножка «9» — режим ожидания, используется в блоке управления.

Аналогично: «10» ножка - режим приглушения, также применяется при конструировании усилителя. «11» и «12» выводы не используются в конструкции усилителей звуковой частоты. С «14» вывода снимается выходной сигнал и подается на акустическую систему. «13» и «15» выводы микросхемы — это «+» и «-» для подключения питания выходного каскада. На микросхеме TDA7294 схема ничем не отличается от предложенных в статье, дополняется она только который соединяется со входом.

Особенности микросборки

При конструировании усилителя звуковой частоты нужно обращать внимание на одну особенность — минус питания, а это ножки «15» и «8», электрически связаны с корпусом микросхемы. Поэтому необходимо изолировать его от радиатора, который в любом случае будет использоваться в усилителе. Для этой цели необходимо использовать специальную термопрокладку. Если используется мостовая схема усилителя на TDA7294, обращайте внимание на вариант исполнения корпуса. Он может быть вертикального или горизонтального типа. Наиболее распространенным является вариант исполнения, обозначаемый как TDA7294V.

Защитные функции микросхемы TDA7294

В микросхеме предусмотрено несколько видов защиты, в частности, от перепада питающего напряжения. Если вдруг изменится напряжение питания, то микросхема уйдет в режим защиты, следовательно, не будет электрического повреждения. Выходной каскад также имеет защиту от перегрузок и короткого замыкания. Если корпус прибора нагревается до температуры 145 градусов, отключается звук. При достижении 150 градусов происходит переход в режим ожидания. Все выводы микросхемы TDA7294 защищены от электростатики.

Усилитель мощности

Просто, доступно каждому, а самое главное — дешево. Буквально за несколько часов вы можете собрать очень хороший усилитель звуковой частоты. Причем большую часть времени вы потратите на то, чтобы осуществить травление платы. Структура всего усилителя состоит из блоков питания и управления, а также 2-х каналов УНЧ. Старайтесь как можно меньше проводов использовать в конструкции усилителя. Придерживайтесь простых рекомендаций:

1. Обязательное условие — это подключение источника питания проводами к каждой плате УЗЧ.

2. Свяжите питающие провода в жгут. С помощью этого получится немного компенсировать магнитное поле, которое создается электрическим током. Для этого необходимо взять все три питающих провода — «общий», «минус» и «плюс», с небольшим натяжением сплести их в одну косичку.

3. Ни в коем случае не используйте в конструкции так называемые «земляные петли». Это случай, когда общий провод, соединяющий все блоки конструкции, замыкается в петлю. Провод массы необходимо подводить последовательно, начиная от входных далее к плате УЗЧ, и заканчиваться должен на выходных разъемах. Крайне важно входные цепи подключать при помощи экранированных проводов в изоляции.

Блок управления режимами ожидания и приглушения

В этой микросхеме имеется и приглушения. Осуществлять управление функциями нужно при помощи выводов «9» и «10». Включение режима происходит в том случае, если на этих ножках микросхемы нет напряжения, либо оно менее полутора вольт. Чтобы включить режим, необходимо подать на ножки микросхемы напряжение, значение которого превосходит 3,5 В. Чтобы управление платами усилителя происходило одновременно, что актуально для схем, построенных по типу моста, собирается один блок управления для всех каскадов.

Когда усилитель включается, в блоке питания заряжаются все конденсаторы. В блоке управления также один конденсатор накапливает заряд. При накапливании максимально возможного заряда происходит отключение режима ожидания. Второй конденсатор, применяемый в блоке управления, отвечает за функционирование режима приглушения. Он заряжается немного позже, поэтому режим приглушения отключается вторым.

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.

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.

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;