→ → Мостовой усилитель. Мостовой усилитель мощности звуковой частоты. Защитные функции микросхемы TDA7294

Мостовой усилитель. Мостовой усилитель мощности звуковой частоты. Защитные функции микросхемы TDA7294

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;

Сегодня разберем такую интересную возможность увеличения мощности, как подключение усилителя мостом и как подключить 2 усилителя аналогичным способом. В таком режиме один канал работает за плюс (+) а другой за минус (-) , от чего в 2-2,5 раза увеличивается мощность. Результат будет зависеть от питания системы и модели усилителя.

Чаще такой режим работы используется для сабвуфера, как для самого требовательного к мощности элемента. Подключить в мост можно как два канала усилителя , так и два отдельных моноблока.

Мостовое подключение двух каналов

Итак, для мостового подключения двух каналов одного усилителя нужно с одного взять плюс (+), а с другого минус (-). Для двух и четырех канальных усилителей схемы не отличаются.

В принципе, подключение усилителя мостом не сложная операция, для этого не нужно никаких перемычек или дополнительных соединений. Плюсовой провод от сабвуфера подключаете к плюсовой клемме (+) одного канала, а минусовой, соответственно, к минусовой (-) второго.

Предварительно убедитесь, что ваш усилитель поддерживает мостовое включение.

Как подключить два усилителя мостом

Master/Slave

На усилителях, предназначенных для такого соединения, имеются переключатели MASTER/SLAVE. Поэтому при мостовом подключении один из усилков будет ведущим (Master ) второй ведомым (Slave ), установите переключатели в этом соответствии. Именно к Master подключаются межблочные кабели (тюльпаны) от магнитолы, а от него через моно разъем сигнал передается на Slave (одинарным межблоком). Это делается для того, чтобы все настройки и управление осуществлялось с одного моноблока — с Master, то есть gain, фильтры, subsonic и т.п. будут выставляться только на нем. Не нужно брать Y разветвители, чтобы пытаться воткнуть межблочники еще и в Slave.

Если производителем заявлена работа возможность работы усилителя в мост, но нет переключателей Master / Slave, значит на нем будет сразу два гнезда с названиями, подобными — Bridge Input и Bridge Output . В таком случае, на ведущем усилителе используете гнездо Bridge Output и соединяете его с гнездом Bridge Input ведомого.

Подключение акустических проводов

Здесь будьте внимательны и ничего не перепутайте: минусовые разъемы двух усилителей соединяем между собой; далее плюс (+) Ведущего (Master) подключаем к плюсу сабвуфера, а плюс Ведомого (Slave) к минусу сабвуфера !

Да, к сабу идут два плюсовых провода, не нужно напрягаться — все правильно. Дело в том, что на вход одного усилителя подается прямой сигнал, а для второго сигнал переворачивается на 180 градусов. Поэтому на выходе одного растет положительный потенциал, а на выходе второго такой же но отрицательный. Прирост мощности происходит от того, что усилители или каналы (в случае использования одного уся) работают в пониженном сопротивлении. К примеру, если саб скоммутирован на 4 Ом, то каждый усилитель или канал работает в 2 Ом и т.д.

Важные моменты

    • Убедитесь, что ваш усилитель поддерживает мостовое подключение.
    • Убедитесь, что ваш усилитель или усилители поддерживают планируемое сопротивление.
    • Имейте ввиду, что при подключении двух усилителей в мост у Slave может быть отключена защита. Внимательно следите за ним.
  • Не подключайте разные каналы/усилители отдельно к катушкам.

Простое и понятное видео, о том как подключить два усилителя в мост:

Мостовой УНЧ на TDA2030 - 150 Вт.

Принципиальная схема мостового усилителя на микросхемах TDA2030A:

Как видите на схеме, усилитель состоит из двух одинаковых каскадов, в которых каждая микросхема TDA2030 на выходе имеет пару транзисторов, за счет которых и происходит умощнение, и эти каскады соединены в мостовую схему, за счет чего мощность еще удваивается. Не плохие результаты данный усилитель показал при использовании его в качестве усилителя для сабвуфера.

Печатная плата мостового усилителя на микросхемах TDA2030 с транзисторами умощнения показана ниже:

Крепление микросхем и транзисторов к радиатору выполнено через изолирующие прокладки с применением пасты типа КПТ. Болты крепления элементов так же имеют изолирующие шайбы.

Внешний вид платы усилителя в сборе для сабвуфера показан на следующих изображениях:

●●● Прямая ссылка на скачивание файла архива в формате RAR, содержащего в себе принципиальную схему усилителя, а так же печатную плату в формате LAY , появится после клика по любой строке рекламного блока ниже, кроме строки “Оплаченная реклама”. Размер файла архива – 0,2 Mb.

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.

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.

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.

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.

 

 
Это интересно: