Когда мощные аудиоусилители начинают генерировать, результатом часто бывает дым, возможно, с хорошо прожаренной печатной платой и гарниром из жаренного высокочастотного динамика. В этой статье, состоящей из двух частей, показаны некоторые интересные способы (неправильного) использования обычного усилителя мощности для получения преднамеренных колебаний различного качества.
Это устройство – TDA7052A, изящная 8-выводная микросхема с большим коэффициентом усиления, управляемым напряжением, способная через свои симметричные выходы отдавать до одного ватта или около того в нагрузку, включенную по мостовой схеме. TDA7056A – это 5-ваттная версия с лучшим теплоотводом. (Буква «A» в обозначении имеет принципиальное значение; у усилителя без этой буквы TDA7052 коэффициент усиления немного больше, но им нельзя управлять). TDA7052B – это усовершенствованное устройство с очень похожими характеристиками, а TDA7056B – его 5-ваттный аналог. А теперь плохие новости: они больше не производятся. Хорошие новости: их можно легко найти в Интернете, а также есть второй поставщик этой микросхемы (или ее клона) – тайваньская Unisonic Technologies.
Песня сирены простой схемы
Для достижения наилучших результатов нам потребуется проверить некоторые вещи, которые не указаны в технических описаниях, но давайте сразу перейдем к чему-то более практичному: к рабочей схеме. На Рисунке 1 показано, как сбалансированные противофазные выходы помогают нам построить простой генератор, основанный на архитектуре интегратора с порогами.
 |
|
| Рисунок 1. | Минималистский мощный генератор с типичными формами сигналов. |
У этой схемы всего три преимущества: она очень проста, достаточно эффективна и, при подключенном динамике, очень громкая. Помимо этого, у нее есть проблемы. Из-за нагруженного входа усилителя (номинально 20 кОм) и разброса уровней сигналов при различных нагрузках сложно точно рассчитать частоту. (Приведенные значения зависимости частоты от R1 являются измеренными). Резистор R2 необходим для снижения нагрузки на времязадающую цепь, но он должен обеспечивать усиление, достаточное для стабильной работы. (Последовательный конденсатор здесь оказался ненужным, так как из-за внутреннего смещения входной вывод с перегружен). Его эффективность обусловлена тем, что выходные каскады усилителя работают в режиме насыщения: при подключении к динамику сопротивлением 8 Ом корпус (DIL-8) без дополнительного теплоотвода нагревается примерно на 15 °C. Получающиеся прямоугольные импульсы несколько асимметричны, хотя и достаточно хороши для использования в качестве сигнала тревоги.
На Рисунке 1 показан 5-вольтовый источник питания. Повышение напряжения до 12 В привело только к одному изменению характеристик: выход стал очень-очень громким. И с нагрузкой 10 Ом он потреблял около ампера. И ему не помешал бы радиатор. И TDA7056A/B подошел бы лучше, чем 52-й.
Вход Vcon на выводе 4 не используется. Если оставить его висящим в воздухе, его потенциал будет плавать на уровне порядка 1.14 В, что дает устройству измеренное усиление около 25 дБ. Приближение его потенциала к земле блокирует работу, поэтому подключенный сюда MOSFET с открытым стоком может управлять включением/выключением. При высоком напряжении на этом входе будет обеспечено полное усиление, но со сдвигом частоты. Если это неважно (а в данном контексте, почему это должно быть важно?), отлично работает управление сигналом логического уровня через резистор 22 кОм. В выключенном состоянии устройство все равно потребляет 8-10 мА.
Подача на Vcon изменяющихся аналоговых сигналов частотой до нескольких десятков герц, может создавать интересные эффекты сирены, поскольку изменения усиления влияют на частоту колебаний. Но для настоящей сирены было бы лучше сгенерировать все внутри небольшого микроконтроллера и использовать H-мост из MOSFET (имеющих меньшие потери), чтобы подавать на динамик правильные прямоугольные импульсы. (Мы все слышали нечто подобное на соседних улицах, хотя, надеюсь, не на своей собственной).
Если не считать причудливых звуковых эффектов, любой усилитель мощности с подходящей структурой входа, достаточным коэффициентом усиления и симметричным выходом должен хорошо работать в этой простейшей схеме.
Определение искажений
Вот вам и простота, и мощь. Теперь давайте рассмотрим некоторые тонкости устройства и посмотрим, как мы можем использовать их с пользой. Искажения будут критическими, но в техническом описании указано всего 0.3-1% под нагрузкой, что вряд ли можно назвать Hi-Fi. Если убрать нагрузку, то все будет выглядеть намного лучше. На Рисунке 2 показаны спектры выходного сигнала ненагруженного усилителя, когда входной сигнал подавался от генератора со сверхнизкими искажениями [1], а его амплитуды были отрегулированы так, чтобы получить на выходе 0 дБн (2.83 В пик-пик) и –20 дБн при усилении устройства, зафиксированном на уровне около 25 дБ (вывод Vcon оставлен свободным, но шунтирован конденсатором).
 |
|
| Рисунок 2. | Выходные спектры TDA7052A для высоких и низких уровней выходного сигнала, полученные в идеальных условиях и без выходной нагрузки. |
Дальнейшие тесты с различными комбинациями входных уровней и усилений устройства показали, что искажения минимальны при максимальном усилении – или при самых небольших уменьшениях коэффициента усиления – и при самых низких уровнях сигнала. При выходных уровнях менее примерно 300 мВ пик-пик (приблизительно –18 дБн) и усилении более 10 дБ искажения оказываются погребенными под шумом.
Это без нагрузки. Подключите к выходам резистивную нагрузку 10 Ом, и результат будет таким, как на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Спектры, аналогичные Рисунку 2, но с выходной нагрузкой 10 Ом. |
Это выглядит примерно как –38 дБ THD (общих гармонических искажений) для каждой кривой, по сравнению с лучше чем –60 и –70 дБ для случаев отсутствия нагрузки. Все это подтверждает, что искажения возникают в основном из-за выходных каскадов, и то только когда они нагружены.
Работающий синусоидальный генератор на одной микросхеме…
Это означает, что у нас есть шанс создать мостовой аудиогенератор Вина на одной микросхеме, который даже мог бы напрямую управлять мощной нагрузкой, имея при этом меньшие искажения, чем среднестатистический громкоговоритель. Давайте попробуем добавить частотно-избирательную цепь Вина и простую петлю регулировки усиления, в которой для определения и стабилизации рабочего уровня используются стабилитроны, как показано на Рисунке 4.
 |
|
| Рисунок 4. | Простой контур стабилизации усиления помогает поддерживать постоянную амплитуду выходного сигнала в базовом мостовом генераторе Вина. |
Цепь Вина – это резисторы R1-R4 с конденсаторами C1 и C2. Она вносит минимальные потери (примерно 10 дБ) и минимальный фазовый сдвиг (около 0°) на частоте, которая при добавлении достаточной положительной обратной связи определяется формулой
Когда амплитуда достаточно велика, стабилитроны D1 и D2 начинают проводить ток на пиках, постепенно включая транзистор Q1, тем самым понижая напряжение на выводе Vcon микросхемы U1 и, соответственно, уменьшая усиление настолько, чтобы поддерживать чистые колебания.
Конденсатор C3 сглаживает неизбежные пульсации и определяет постоянную времени контура управления. Резистор R5 минимизирует нагрузку усилителя U1 на цепь Вина, в то время как C3 блокирует постоянную составляющую, а R6 устанавливает уровень выходного сигнала. Спектры сигналов на ненагруженных выходах при уровнях 0 и –10 дБВ показаны на Рисунке 5.
 |
|
| Рисунок 5. | Спектры генератора на Рисунке 4 для выходных сигналов 0 и –10 дБВ в отсутствие нагрузки. |
…у которого есть проблемы
Хотя эти спектры полуприличны, с THD около –45 и –60 дБ (или с искажениями порядка 0.1%), они справедливы только для данной температуры и без дополнительной нагрузки на выходе. Повышение температуры на 25 °C уменьшает амплитуду выходного сигнала вдвое – неудивительно, учитывая температурные коэффициенты диодов и транзистора. А эти 3.3-вольтовые стабилитроны имеют очень мягкие изгибы характеристик, особенно при низких рабочих токах, поэтому их правильнее рассматривать как нелинейные резисторы, а не точные пороговые датчики.
Добавление 10-омного нагрузочного резистора и подстройка R6 для регулировки уровней дает спектр на Рисунке 6.
 |
|
| Рисунок 6. | Спектры, аналогичные Рисунку 5, но с выходной нагрузкой 10 Ом. |
THD теперь составляют примерно –30 дБ или 3%. Не впечатляет, но сопоставимо с искажениями многих динамиков, и даже хуже, чем значения, указанные в технических характеристиках для нагруженного устройства.
Итак, мы должны сделать вывод, что хотя создать на основе этого синусоидальный генератор на одной микросхеме и возможно, он не очень удобен в использовании, и дальнейшие настройки не сильно помогут. Нам нужно лучшее управление амплитудой, что означает добавление еще одной микросхемы, возможно, сдвоенного операционного усилителя, и это то, что мы сделаем в Части 2.
Купить TDA7052A на РадиоЛоцман.Цены
