Усилитель класса D для наушников на таймере 555

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2014

Petre Petrov

EDN

Популярная микросхема интегрального таймера 555 (КР1006ВИ1, LMC555, SE555, NE555, HA555) может использоваться в качестве ШИМ модулятора-усилителя класса D для музыкальных инструментов или других приложений. Микросхема имеет широкий диапазон напряжений питания 4.5 – 16 В и обеспечивает выходной ток до 200 мА. Аудио сигнал подается на вход CV (Control Voltage) интегрального таймера (вывод 5).

В статье мы рассмотрим две простые схемы усилителей для воспроизведения аудиосигналов в наушниках или для передачи их по проводам. Схемы разрабатывались для электрогитар и скрипок, но круг их применения этим не ограничивается. Для простых приложений такие параметры, как уровень шумов и полный коэффициент гармонических искажений, не имеют критического значения, поэтому они не измерялись.

Основные соображения, учитывавшиеся при разработке схемы:

1. Входное сопротивление вывода CV имеет порядок 3 кОм, поэтому в большинстве случаев потребуется входной предварительный усилитель или буфер.
    
2. Амплитуда входного сигнала на выводе CV должна быть достаточно большой. Требуемый уровень зависит от напряжения питания микросхемы 555 и необходимой выходной мощности.
    
3. Микросхема таймера 555 в такой схеме работает как генератор, модулированный низкой частотой звукового сигнала, подаваемого на вход CV.
   Желательно, чтобы частота генератора была, как минимум, в 10 раз больше, максимального значения звуковой частоты. Для аудио приложений оптимальное значение частоты находится в диапазоне 60 кГц – 200 кГц. Это упрощает фильтрацию высокочастотного шума, производимого микросхемой таймера, и обеспечивает высокий КПД импульсного модулятора.
    
4. Следует серьезно отнестись к радиочастотным излучениям. Мы должны иметь, как минимум, фильтр низших частот первого порядка между выходом микросхемы таймера и наушниками или динамиком. Если используются длинные соединительные кабели, то необходимо учитывать их паразитную емкость.

На Рисунке 1 изображена схема первого варианта усилителя на операционном усилителе и таймере 555. Схема сохраняет работоспособность и при использовании КМОП версии интегрального таймера (например, LMC555), но следует учитывать, что нагрузочная способность этой микросхемы ниже. Преимуществом КМОП версии является высокая рабочая частота.

Рисунок 1.	Принципиальная схема усилителя для наушников на операционном усилителе и таймере 555.

Коэффициент усиления первого каскада (A_V1), устанавливаемый с помощью резисторов R6 и R12 равным 11, вычисляется по формуле:

 

Частота таймера f в отсутствие входного аналогового сигнала на выводе CV зависит от номиналов резисторов R7, R8 и конденсатора С5, и вычисляется по стандартной формуле:

 

Выходной сигнал NE555 выводится на контакты разъема OUT1, OUT2 и OUT3. Резистор R9, конденсатор C7 и нагрузка образуют фильтр нижних частот для высокочастотных составляющих спектра сигнала, создаваемых микросхемой таймера. Отсутствие фильтра может стать причиной излучения помех, которые могут нарушить работу чувствительной электроники, окружающей усилитель. Частота среза фильтра должна быть насколько возможно низкой, а сопротивление наушников должно быть как можно выше.

Версия с полевым транзистором

Для предварительного усиления звукового сигнала и увеличения входного сопротивления схемы вместо операционного усилителя на входе микросхемы 555 можно использовать полевой или биполярный транзистор.

Входной каскад схемы, изображенной на Рисунке 2, выполнен на полевом транзисторе (JFET). Сопротивления резисторов R4* и R5* должны быть минимально возможными для данной схемы. Они должны обеспечивать определенный коэффициент усиления, но, в то же время, для эффективного управления микросхемой таймера предварительный усилитель должен иметь низкое выходное сопротивление.

Рисунок 2.	Схема усилителя для наушников на микросхеме 555 с входным каскадом на полевом транзисторе.

При отсутствии входного сигнала, постоянное напряжение между точками A и B должно быть равно примерно V_EE/3.

Вторая схема проще первой, но в ней для установки требуемого коэффициента усиления придется подбирать сопротивления резисторов R4* и R5, причем, не только под конкретный тип выбранного транзистора T1. Проблема в том, что даже параметры полевых транзисторов одного типа могут различаться более чем в четыре раза. При замкнутом переключателе S1 коэффициент усиления T1 будет максимальным.

Рисунок 3.	Использование двух микросхем 555, работающих на разных частотах, позволит получать различные звуковые эффекты.

Улучшить нагрузочные характеристики полевого транзистора может биполярный транзистор T2 (Рисунок 3). К тому же, он позволит увеличить сопротивление резистора R4*, чтобы повысить коэффициент усиления T1.

Заключение

Схемы могут работать во всем диапазоне напряжений питания таймера 555 (от 4.5 до 16.0 В), но предпочтительнее использовать источник 12 … 16 В. Во-первых, это позволит получить бóльшую выходную мощность, а во-вторых, большинство операционных усилителей и полевых транзисторов в этом диапазоне напряжений работают лучше.

Усилитель может работать на высокоомные динамики и наушники. Желательно, чтобы они имели сопротивление более 24 Ом. Во всех случаях необходимо следить за тем, чтобы пиковый выходной ток микросхемы 555 не превышал 150 мА, иначе рассеиваемая таймером мощность может выйти за допустимые пределы. Не забывайте, что при выходных токах, значительно превышающих 100 мА, падение напряжения на выходных транзисторах микросхемы 555 начинает быстро расти.