Мостовое подключение усилителей. Мостовое включение Назначение выводов микросхемы

06.03.2024

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.

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;

Принципиальная схема мощного мостового усилителя мощности ЗЧ на микросхеме TDA2005, выход 20 Ватт на нагрузке 4 Ома. Микросхема типа TDA2005 весьма устаревшая микросхема интегрального УНЧ. Но, тем не менее, именно благодаря устарелости, её зачастую можно приобрести по очень невысокой цене. К тому же, у многих она может быть в старых запасах.

По сравнению с современными ИМС УМЗЧ TDA2005 конечно проигрывает в сложности схемы, потому что требует значительного количества навесных деталей. Но по параметрам идет вполне себе «ноздря в ноздрю» и с более современными.

Однажды автору пришлось ремонтировать старенький музыкальный центр непонятного еще индийского производства. Задача была поставлена не столько восстановить работоспособность, сколько сделать из данного аппарата что-то вроде активной акустической системы для работы с персональным компьютером.

Собственный УНЧ был неисправен, и не было никакого желания заниматься его восстановлением, так как и «при жизни» в нем было мало чего выдающегося. Решено было заменить УНЧ на два модуля на микросхемах TDA2005, поскольку таковые уже давно лежали без дела. При этом, увеличить мощность, повысить качество звука.

Конечно, это повлекло за собой и изменения в источнике питания, - но это другая тема.

Принципиальная схема

Рис.1. Принципиальная схема мостового усилителя мощности ЗЧ на микросхеме TDA2005, 20 Ватт при нагрузке 4 Ома.

Схема одного из каналов УНЧ показана на рисунке 1. Второй канал точно такой же. УНЧ микросхемы включены мостом для получения большей мощности и лучшего качества воспроизведения НЧ.

По такой схеме, при напряжении питания 14V усилитель обладает следующими характеристиками:

Мощность при сопротивлении акустической системы 4 Ом - 20W.
При мощности 4 W на нагрузке 4 Ом КНИ не более - 0,2%.
Диапазон рабочих частот 20-20000 Гц.
Чувствительность входа 200 mV.
Рабочее напряжение питания в пределах от 8 до 18 V.
Ток потребления при максимальной мощности 3,5 А (одного канала).

Входной сигнал проступает через резистор регулятор громкости R1. На схеме он показан, но на печатной плате его нет, так как он есть на передней панели музыкального центра.

Резистор R2 в принципе можно не устанавливать, его задача в том чтобы уровнять стереоканалы по усилению если это необходимо. Кроме того, его можно заменить переменным для регулировки стереобаланса.

Цепь R3-C2 очень полезна, если данный усилитель будет работать с цифровым источником сигнала, например, с выходом звуковой карты персонального компьютера. Эта цепь представляет собой простейший пассивный фильтр ВЧ, который подавляет ВЧ помехи от работы цифро-аналогового преобразователя цифрового источника сигнала.

Вывод 3 микросхемы А1 - это блокировка. В данном случае он используется для плавного пуска микросхемы, чтобы не было броска тока при включении через акустическую систему. Цепь R5-C9 несколько задерживает подключение выхода УНЧ, после того как подается питание.

Как уже сказано, напряжение питания может быть от 8 до 18V. При этом, желательно чтобы все конденсаторы были на напряжение не ниже полтора от напряжения питания. В этой схеме все электролитические конденсаторы на 25V.

Печатная плата и монтаж

Монтаж выполнен на компактной печатной плате (рис.2). Рисунок печатных дорожек показан, как если смотреть на дорожки. Если предполагается делать плату фотоспособом или «лазерным утюгом», этот рисунок нужно будет сделать зеркальным (это можно сделать со скана в любом графическом редакторе).

Рис. 2. Печатная плата для схемы мостового усилителя мощности с микросхемой TDA2005.

Но, на мой взгляд, такую простую разводку можно нарисовать и вручную -перманентным маркером. Микросхеме для работы необходим радиатор. Даже временно включать без радиатора не рекомендую. Эту плату УНЧ можно использовать и по другому назначению, не только как ремонтный модуль, но и как автомобильный УНЧ.

Известен класс усилителей, называемых мостовыми, в которых незаземленная нагрузка подключается к выходам усилителя с противофазными выходными сигналами. К достоинствам таких схем можно отнести учетверенную максимальную выходную мощность при том же напряжении питания, по сравнению с усилителями мощности с одиночным выходом и заземленной нагрузкой. Кроме того такие схемы создают симметричные токовые пульсации по цепям питания с удвоенной частотой сигнала, что упрощает построение источников питания (соответствующей мощности), исключая возможные условия появления перекосов выходных двуполярных напряжений. Это актуально для усилителей типа УПТ и не только. Кроме того мостовые усилители не вызывают появление сильноточных сигнальных токов по "общему" проводу, что намного улучшает совместимость узлов в многоканальной (например, стерео) аппаратуре.

Мостовые схемы усилителей встречаются и в некоторых рекомендациях по применению микросхем-усилителей мощности. Если разобрать, например, даташитовскую схему на TDA2030 по "косточкам", получим два усилителя мощности, включенных последовательно. Первый усилитель - неинвертирующий, второй - инвертирующий. Между их выходами включена нагрузка. Понятно, что на выходе второго усилителя будет увеличенный уровень гармоник, так как входной сигнал пройдет по цепочке из двух усилительных звеньев. Кроме того второй усилитель добавит временную задержку на время прохождения сигнала через него. Вытекающие недостатки - очевидны.

Известны схемы симметричных мостовых усилителей с перекрестными связями. Например, схема из книги П. Шкритека "Справочное руководство по звуковой схемотехнике" (Глава 13. Усилители мощности) хороша по многим параметрам, кроме одного - рабочая точка усилителей мощности ничем не задана. Мысленно установите на выходах такого усилителя напряжение, например, близкое к напряжению питания (одновременно) - и баланс схемы не нарушится, так как она подавляет синфазную помеху как по входу усилителя, так и по выходу:-) , в силу своей симметричной топологии. Для поддержания рабочей точки выходных каскадов необходима специальная серво-схема. В противном случае на выходных плечах усилителя будет разбаланс по рассеиваемой мощности и в конце-концов может произойти отказ такого устройства.

В предложенной мной схеме ИНУН устранен этот недостаток путем добавления двух резисторов (R3, R4) между дифференциальными входами усилителей. Теперь синфазный уход выходных напряжений от нулевого значения будет вызывать разбаланс напряжений между диф. входами усилителей и возвращать их в исходное состояние. В остальном, по топологии, схемы идентичны. К достоинствам симметричных мостовых схем можно отнести и то, что без переделки их можно использовать в схемах, как с балансным, так и небалансным входом. К тому же симметричные мостовые схемы отличаются уменьшенным уровням четных гармоник. К недостаткам можно отнести необходимость точного подбора номиналов схемы. Коэффициент усиления данной схемы по напряжению будет равен Ku=-R5/(R1+R3/2), входное сопротивление Rвх=2*R1+R3/2.

По аналогичному принципу построен ИТУН (Источник Тока, Управляемый Напряжением). В выходные цепи введены датчики тока (R7, R8), а сигналы обратной связи берутся с делителей напряжения. Таким образом, при подключении нагрузки, с появлением входного сигнала происходит разбаланс моста, образованным описанными элементами, который устраняется за счет отрицательной обратной связи. При этом независимо от величины нагрузки (теоретически) ток через нее изменяться не будет, поскольку баланс схемы сохраняется только при протекании заданного входным сигналом выходного тока через резисторы - датчики тока. Основным параметром ИТУНа является крутизна преобразования, её можно для этой схемы посчитать по формуле Si=-R1/(R7*R5). Для указанных номиналов Si=-4,68 A/V. Rвх=R1+R2, при пренебрежении значениями R3 и R4, ввиду их относительной малости.

Схемы ИНУН и ИТУН в формате MC7 можно .

Используя те же датчики тока и заменив ООС на ПОС, при скорректированных номиналах резистивных делителей можно получить усилитель с отрицательным выходным сопротивлением. Желающие могут проанализировать его работу самостоятельно:-)

Усилитель мощности с отрицательным выходным сопротивлением применяется в звукотехнике в случаях, когда необходимо увеличить величину электрического демпфирования, то есть избавиться от повышенной добротности в АС, например на частоте резонанса динамика. По определению отрицательного выходного сопротивления при увеличении сопротивления нагрузки напряжение на ней падает (уменьшается усиление), а при уменьшении - возрастает (увеличивается усиление). Это реализуется за счет положительной обратной связи по току в усилителе. В связи с этим существует опасность самовозбуждения такого усилителя, в случае если сопротивление нагрузки по модулю станет меньше величины отрицательного выходного сопротивления, так как усиление в этом случае станет бесконечным:-).

Не вдаваясь в подробности вывода формул, основанных на законах Кирхгофа, симметрии схемы (R1=R2, R5=R6, R7=R8, R9=R10) с учетом того, что R3,R4 - слабо влияют на результат, рассчитать параметры схемы можно по следующим формулам:

Rвх=R1+R2
Ku=-R5*R9/(R1*(R5-R9)) при отсутствии нагрузки.
Rвых=2*R7*R9/(R9-R5)

Для номиналов, указанных на схеме, соответственно получаем:
Rвх= 40 кОм;
Ku= -39.16 или 31.85 дБ
Rвых= -4.7 Ом.

P.S. Должен сказать, что тип микросхемы, приведенной в примере (TDA2050), не играет какой-то определяющей роли, можно использовать любой подходящий по параметрам микросхемный (или дискретный) УН, выполненный по схемотехнике мощного ОУ. Желательно выполнять соблюдение общих рекомендаций datasheet для включения того или иного типа микросхемы.

Например, на базе TDA7293 был собран мостовой ИТУН для сабвуфера с ЭМОС по следующей схеме:

Вид платы со стороны деталей (в PCAD2006) на следующем рисунке:

Печатную плату можно скачать в формате pdf или в формате программы SprintLayout5.0

В собранном виде все это выглядит так -

Для систем с ЭМОС желателен ИТУН с частотнозависимой АЧХ, а точнее - с частотнозависимым импедансом. При увеличении частоты выходное сопротивление УМ должно падать. Пример реализации - мостовой УМЗЧ с перекрестными связями, реализующий данный принцип: за счет введения конденсатора С8 схема приобретает необходимые свойства. При использовании TDA2050 оптимальное сопротивление нагрузки равно 8 Ом.

Ниже приведена его печатная плата (добавлены защитные диоды по выходам TDA2050):

И фото собранного усилителя. Заметим, что компоновка элементов несколько отличается от приведенной выше печатной платы. Просто в процессе доводки схемы один из элементов (его уже нет на принципиальной схеме) пришлось совсем убрать.

Усилитель мощности низкой частоты класса Hi-Fi, выполненный по мостовой схеме с применением двух интегральным микросхем TDA7294. Позволяет получить на выходе до 170 Ватт мощност, отлично подойдет для сабвуфера.

Технические характеристики

Выходная мощность на нагрузке 8 Ом и питании ±25V - 150 W;
Выходная мощность на нагрузке 16 Ом и питании ±35V - 170 W.

Принципиальная схема

В усилителе предусмотрена защита выходного каскада от короткого замыкания, термозащита (переключение на пониженную мощность в случае перегрева, возникающего при больших нагрузках), защита от бросков напряжения, режим отключения (Standby), режим включения/отключения входного сигнала (Mute), а также защита от «щелчка» при включении/выключении. Все это уже реализовано в интегральных микросхемах TDA7294.

Рис. 1. Мостовая схема включения двух микросхем TDA7294 - мощный мостовой усилитель НЧ.

Детали и печатная плата

Рис. 2. Печатная плата для мостового варианта включения микросхем TDA7294.

Рис. 3. Расположение компонентов для мостового варианта включения микросхем TDA7294.

Для питания такого усилителя мощности необходим источник питания с трансформатором мощностью не менее 250-300 Ватт. В схеме выпрямителя желательно установить электролитические конденсаторы по 10000мкФ и более на каждое плечо.

Мостовая схема включения из даташита

Рис. 4. Мостовая схема включения двух микросхем TDA7294 (из даташита).

В мостовом режиме работы, сопротивление нагрузки должно быть не менее 8 Ом, иначе микросхемы сгорят от перегрузки по току!

Печатная плата

Универсальная печатная плата для двухканального и мостового вариантов усилителя мощности.

Мостовая схема включения УМЗЧ - это два одинаковых канала, в одном из которых вход сигнала подключен на землю, а вход обратной связи (ножка 2) подключен через резистор 22К к выходу второго канала.

Также 10-е ножки микросхем (Mute) и 9-е ножки (Stand-By) нужно подключить к схеме управления режимами, собранной на резисторах и конденсаторах (рисунок 6).

Рис. 5. Печатная плата для усилителя мощности на микросхемах TDA7294.

В платах есть небольшие отклонения (в лучшую сторону) от схемы из даташита:

На входах микросхем (ножка 3) установлены конденсаторы на 4мкФ, а не 0,56мкФ;
Между резистором 680 Ом (что идет к ножке 2) и землей подключен конденсатор 470мкФ;
Конденсаторы между ножками 6 и 14 - 470мкФ, а не 22мкФ;
По питанию вместо конденсаторов 0,22мкФ предложено установить 680нФ (0,68мкФ);

В мостовом включении выводы 10 и 9 соединяются вместе соответственно и подключаются к схеме управления режимами.

Рис. 6. Простая схема управления режимами Standby-Mute для микросхем TDA7294.

Чтобы включить микросхемы (вывести из тихого и энергосберегающего режимов), контакты "VM" и "VSTBY" достаточно подключить к положительному выводу питания +Vs.

Эта печатная плата является универсальной, ее можно использовать как для двухканального, так и для мостового режимов работы усилителя на микросхемах TDA7294. Здесь очень хорошо выполнена разводка земли (GND), что улучшит надежность и помехоустойчивость УМЗЧ.

Литература: