Наша сеть партнеров Banwar
2006
Сучасна аудіотехніка включає великий набір електронних компонентів - це підсилювачі потужності звукової частоти, пристрої попереднього посилення, управління параметрами і індикації режимів роботи звукових систем та інші. З моменту свого заснування компанія National Semiconductor займала передові позиції в розробці і виробництві інтегральних мікросхем (ІМС) для аудіотехніки, номенклатура яких в даний час налічує більше ста найменувань, дозволяючи розробникам успішно вирішувати численні завдання по створенню різної електронної апаратури з звуковим трактом [1].
Почнемо огляд з підсилювачів потужності (УМ). National Semiconductor пропонує два базових сімейства інтегральних УМ - великої потужності (більше 20 Вт) Overture, призначених для побудови високоякісних звукових трактів стаціонарної апаратури, і малої потужності Boomer, орієнтованих, головним чином, для застосування в портативній апаратурі з автономним живленням. Основними параметрами підсилювачів потужності є среднеквадратическая вихідна потужність Ро при деякому опорі навантаження Rн і коефіцієнт нелінійних спотворень КНІ - THD (Total Harmonic Distortion), який визначається як відношення середньоквадратичного значення суми вищих гармонік до середньоквадратичного значенням основної гармоніки, виражене у відсотках. КНІ істотно залежить від напруги живлення підсилювача Еп, вихідної потужності і опору навантаження, в зв'язку з чим в технічній документації зазвичай наводяться значення вихідної потужності для КНІ ≤ 1%, що відповідає загальноприйнятій поняттю щодо хорошої якості звучання, і для КНІ ≤ 10%, що визначає по суті максимальну потужність при ще допустимому якості. Відзначимо, що поняття «якість звучання» для підсилювача звукової частоти визначається не тільки величиною КНІ, а й багатьма іншими факторами і в значній мірі суб'єктивно. Для високоякісних (Hi-Fi) УМ величина КНІ може становити соті частки відсотка і менше.
Основні параметри інтегральних УМ сімейства Overture наведені в таблиці 1. Для ІМС LM4780 вказані два значення вихідної потужності, відповідно для одного каналу і мостового включення двох каналів. В останньому випадку обидва канали підсилювача використовуються для посилення одного сигналу, причому один з них включається в Неінвертуючий, а інший - в инвертирующей схемою, в той час як опір навантаження підключається між виходами підсилювачів. В результаті максимальна амплітуда вихідної напруги збільшується в порівнянні зі звичайною схемою в два рази, а вихідна потужність відповідно - в чотири. Ще одна перевага мостових підсилювачів, особливо важливе при однополярному харчуванні, - відсутність постійної напруги на виході, що дозволяє підключати гучномовці безпосередньо до виходу підсилювача без розділових конденсаторів великої ємності.
Таблиця 1. Основні параметри інтегральних підсилювачів потужності звукової частоти сімейства Overture
За схемотехнике підсилювачі Overture є потужні операційні підсилювачі (ОУ) з вельми високими нормованими параметрами по напрузі зсуву, частоті одиничного посилення, швидкості наростання вихідної напруги і коефіцієнтам придушення синфазного сигналу і впливу напруги живлення [2]. Для підвищення надійності роботи УМ Overture містять унікальну запатентовану схему захисту від температурних кидків, викликаних внутрішнім розігрівом, - Self-Peak Instantaneous Temperature (ºKe) (SPiKe), яка автоматично забезпечує оптимальну область безпечної роботи IxU, запобігаючи виходу ІМС з ладу через температурного дрейфу і при перевантаженнях і коротких замиканнях виходу підсилювача на «землю» або шини харчування.
Рис. 1. Практичні схеми включення ІМС LM4780: а) стереофонічний підсилювач, б) мостовий підсилювач
Всі підсилювачі сімейства мають режим відключення (приглушення) звуку Mute окремо для кожного каналу з «м'яким» спадом / наростанням гучності, а некоториедежурний режим Standby, в якому токопотребление не перевищує однієї десятої струму спокою. Слід зазначити, що за більшістю параметрів інтегральні УМ Overture відповідають типовим класу HiFi, про що свідчать численні публікації про використання даних ІМС в різній високоякісної професійної та аматорської звуковій апаратурі. На рис. 1а і б наведено практичні схеми включення ІМС LM4780 в двоканальному стереофонічному і мостовому підсилювачах, а на рис. 2а і б відповідно - залежно КНІ цих підсилювачів від вихідної потужності при Rн = 8 Ом. Перемикач SW1 служить для відключення звуку (режим Mute). ІМС допускає також паралельне включення по входу і виходу двох і більше підсилювачів, що дозволяє отримати результуючу вихідну потужність в кілька сотень ват.
Рис. 2. Залежність коефіцієнта нелінійних спотворень від вихідної потужності і частоти для підсилювачів: а) стереофонічного підсилювача, б) мостового підсилювача
Триканальні підсилювачі сімейства LM4781 і LM4782 прекрасно підходять для застосування в домашніх кінотеатрах, компонентних акустичних системах з частотним поділом (BiAmp), в яких в низькочастотному каналі використовується бруківці або паралельний підсилювач на двох УМ ІМС LM4781 / 2, і інший високоякісної звукової апаратури.
Дуже важливим для надійної роботи потужних підсилювачів, вихідні каскади яких працюють в режимі АВ (а це всі наведені в таблиці підсилювачі Overture, крім LM4651 / 2), є ефективний тепловідвід, чому сприяє конструкція корпусу мікросхем TO220 з низьким тепловим опором, що дозволяє порівняно легко монтувати ІМС на радіатор. Поряд зі звичайним неізольованих корпусом TO220 (TA), у якого тепловідвідними пластина з'єднана з висновком для підключення негативного полюса джерела живлення V-, ряд мікросхем сімейства випускається в ізольованих корпусах TO220 (TF), що дозволяє монтувати кілька ІМС на одному радіаторі без ізолюючих прокладок в будь-яких випадках.
Для роботи в звукових трактах портативної апаратури з автономним живленням потрібні підсилювачі потужності звукової частоти з низькою напругою живлення, високим ККД і мінімальним числом зовнішніх елементів. Слід зазначити також, що поряд з електродинамічним гучномовцями останнім часом в апаратурі стали широко застосовуватися п'єзоелектричні і керамічні звуковипромінювачі, що володіють малими розмірами і високим ККД по звуковому тиску, для роботи яких необхідно порівняно висока напруга до 30 В. І нарешті, глобальне проникнення мобільного телефонії в усі сфери життя, зокрема використання стільникових телефонів як своєрідних портативних мультимедіацентр, вимагає від виробників ІМС створення спеціалізовані іровани аудіопристроїв, які суміщають багатоканальні підсилювачі для навушників і гучномовців різних типів зі схемами управління параметрами звукових трактів, в тому числі і по цифровій шині.
Рис. 3. Типова схема включення ІМС LM4895
В асортименті продукції компанії National Semiconductor є велика кількість таких пристроїв, основу яких складають УМ сімейства Boomer [3]. Прагнення зменшити кількість зовнішніх елементів і, як наслідок, габарити і масу кінцевих виробів привело інженерів фірми до створення ІМС для побудови безконденсаторних (за термінологією фірми) підсилювачів звукової частоти з диференціальним входом і мостовим виходом, в результаті, як вже було зазначено, вдається обійтися без розділових електролітичних конденсаторів великої ємності при однополярному харчуванні. Типовим прикладом подібних ІМС УМ є LM4894 з можливістю установки коефіцієнта посилення і LM4895 з фіксованим коефіцієнтом посилення 6 дБ. Типова схема включення ІМС LM4895 приведена на рис. 3. У LM4894 - резистори зворотного зв'язку зовнішні, відповідно коефіцієнт посилення по напрузі задається величиною їх опору.
Як видно з малюнка, для роботи підсилювача необхідно лише два зовнішніх елемента - малогабаритних електролітичних конденсатора невеликої ємності в ланцюгах харчування і зміщення. Підсилювач працездатний в діапазоні напруг живлення 2,2-5,5 В і розвиває вихідну потужність до 1,4 Вт при опорі навантаження 4 Ом. У черговому режимі Shutdown токопотребление становить менше 0,1 мкА. Відзначимо, що управління черговим режимом підсилювача здійснюється логічними рівнями на двох спеціальних висновках ІМС SD Mode і SD Select: при однакових станах висновків підсилювач знаходиться в черговому режимі, а при різних - в робочому. ІМС LM4784 / 5 випускаються в корпусах MSOP, LLP і microSMD.
Заслуговує на увагу двоканальний мостовий підсилювач з диференціальними входами LM4884, призначений в основному для портативних мультімедіаустройств. Особливістю LM4884 є вбудована схема фільтрації радіочастотних перешкод, що може бути дуже ефективно, коли звуковий пристрій функціонує поблизу працюючих мобільних телефонів або комп'ютерів з бездротовим зв'язком. Підсилювач має регульований (4 рівня) коефіцієнт посилення і черговий режим з токопотребленіе 0,1 мкА. Вихідна потужність при напрузі живлення 5 В становить 2 Вт на опорі навантаження 4 Ом. Випускається в 20-вивідному корпусі TSSOP.
Для роботи з п'єзоелектричними та керамічними звуковипромінювачі National Semiconductor випускає спеціальні підсилювачі (драйвери) LM4960 і LM4961 з вбудованим підвищує перетворювачем напруги (потрібна зовнішня індуктивність ≈10 мкГ) [4], що дозволяє використовувати ці підсилювачі в пристроях з напругою живлення від 3,2 до 5,5 В. Амплітуда вихідного напруги досягає 27 В на навантаженні опором 20 Ом ємністю 800 нФ для LM4960 і 17 В на навантаженні опором 30 Ом ємністю 2 мкФ для LM4961. Мікросхеми LM4960 / 1 випускаються в 28-вивідних корпусах LLP.
За аналогічною схемою виконаний і підсилювач LM4804, що розвиває на навантаженні опором 8 Ом вихідну потужність 1,5 Вт при напрузі живлення всього 3 В. Мінімальна напруга живлення, необхідне для запуску перетворювача складає 1,1 В, а його працездатність зберігається при падінні напруги до 0 , 8 В. LM4804 випускається в 28-вивідному корпусі LLP.
Тепер перейдемо до огляду ІМС, які позиціонують компанією для побудови звукових трактів мобільних телефонів, кишенькових ПК, ігрових приставок і інших портативних пристроїв. Поряд з багатоканальними підсилювачами потужності ці мікросхеми містять також аналогову або цифрову схему управління параметрами аудиотракта і формування різних звукових ефектів. Типовий приклад такого роду ІМС-інтегрована звукова підсилювальна підсистема (Audio Amplifier Subsystem) LM4844 з напругою живлення 3,3 В, що включає двоканальний мостовий підсилювач з вихідною потужністю 0,5 Вт / канал для гучномовців опором 8 Ом і двоканальний підсилювач потужністю 30 мВт / канал для навушників опором 32 Ом. Останній виконаний за схемою з штучної середньою точкою, що дозволяє обійтися без вихідних розділових конденсаторів при підключенні навушників із загальним «земляним» проводом.
Структурна схема ІМС LM4884, наведена на рис. 4, включає один моно вхід телефонного сигналу і стереофонічні входи правого і лівого каналу для сигналу від вбудованого ЧС-радіоприймача і МР3-плеєра. Вбудована функція розширення стерео National 3D Enhancement істотно покращує звуковий стереоефект при близькому розміщенні гучномовців правого і лівого каналів. Управління роботою пристрою (регулювання гучності, мікшування, управління живленням і режимом 3D) здійснюється через I2C-сумісний послідовний інтерфейс. LM4884 випускається в 30-вивідному мініатюрному корпусі microSMD розмірами 2,5 × 2,9 мм.
Рис. 4. Структурна схема ІМС LM4884
Підсилювальна підсистема останнього покоління LM4934 на додаток до аналогового має також цифровий звуковий тракт з входом I2S і вбудованим 18-розрядних стерео ЦАП з синхронізацією системою ФАПЧ, що дозволяє прямо підключати до підсистеми цифровий вихід MP3-декодера без використання додаткових елементів. Крім стереофонических підсилювачів гучномовців і навушників LM4934 містить моно підсилювач потужністю 25 мВт для виносного навушника Hands Free і лінійний вихід для підключення зовнішніх аудіопристроїв. Випускається в 42-вивідному корпусі microSMD.
На особливу увагу заслуговують випускаються National Semiconductor імпульсні інтегральні підсилювачі звукової частоти класу D [5], які останнім часом набувають великого поширення завдяки високому ККД, практично не досяжному в звичайних лінійних підсилювачах. По суті справи, підсилювач класу D- це керований звуковим сигналом понижуючий імпульсний перетворювач напруги, що складається з ШІМ-контролера, вихідного каскаду, який може бути однотактних або двотактним, і вихідного фільтра нижніх частот. Кілька років тому National Semiconductor випустила комплект з двох ІМС, LM4651 і LM4652, сімейства Overture для побудови підсилювачів класу D потужністю до 170 Вт при опорі навантаження 4 Ом і ККД 85% для сабвуферів, перша з яких містить ШІМ-контролер, а друга - чотири МОП-транзистора для полномостового вихідного каскаду (табл. 1).
Відзначимо, що на додаток до стандартних систем захисту від струмових перевантажень і перегріву комплект LM4651 / 2 містить схему м'якого відключення при зниженні напруги живлення нижче порогу ± 10,5 В, а також систему захисту від ШІМ-перемодуляціі, яка обмежує мінімальну тривалість вихідних імпульсів і тим самим запобігає «жорстке» обмеження вихідного сигналу. Дія такого захисту близько до аналоговим системам м'якого обмеження soft clipping і сприятливо відбивається не тільки на надійності пристрою, але і на якості звуку. Розсіюється на обох мікросхемах потужність в самому несприятливому режимі не перевищує 22 Вт, що дозволяє обійтися невеликим радіатором. Струм спокою підсилювача складає 125 мА, в режимі Standby - 17 мА. ІМС LM4651 і LM4652 випускаються відповідно в корпусах DIP-28 і TO220-15.
Останні розробки інтегральних підсилювачів класу D National Semiconductor відносяться до сімейства Boomer, яка налічує більше десяти моделей таких підсилювачів потужністю до 10 Вт, підсилювачі класу D також включаються до складу інтегрованих аудіоподсістем нових випусків. Основні параметри ряду інтегральних УМ класу D National Semiconductor сімейства Boomer наведені в таблиці 2.
Таблиця 2. Основні параметри інтегральних підсилювачів потужності класу D сімейства Boomer
До складу ІМС LM4663, призначеної для застосування в ноутбуках і РКІ-моніторах, поряд з двоканальним підсилювачем класу D включені селектор вхідних сигналів на два входи, схема придушення клацань і тріску ( «Click and pop» suppression circuitry) і двоканальний підсилювач навушників потужністю 80 мВт (32 Ом). У черговому режимі токопотребление не перевищує 2 мкА. Типове значення вихідної потужності при опорі навантаження 4 Ом складає 2 Вт, тепловідвід не потрібно.
Монофонічні УМ LM4664 / 5 і стереофонічний УМ LM4666 виконані по повністю диференціальної схемою, аналогічною лінійним підсилювачів LM4894 / 5, і завдяки дельта-сигма-модуляції, працюють без зовнішніх фільтрів. Коефіцієнт посилення по напрузі Ku = 6 дБ або 12 дБ встановлюється логічним рівнем на спеціальному виведення ІМС Gain Select. Мікросхеми LM4664 / 5/6 виконані в мініатюрних корпусах і призначені для застосування в кишенькових ПК і мобільних телефонах.
Для звукових каналів РКІ-телевізорів і моніторів досить перспективно використання порівняно потужного інтегрального УМ класу D на ІМС LM4668. Підсилювач виконаний по мостовій схемі і розвиває на навантаженні опором 8 Ом вихідну потужність до 10 Вт. Мікросхема містить схему придушення клацань і тріску, пристрої захисту від ШІМ-перемодуляціі, перевантажень і перегріву, а також схему м'якого відключення при зниженні напруги живлення нижче порогу 8 В. Коефіцієнт посилення-фіксований 30 дБ. Струм спокою підсилювача - 30 мА, в черговому режимі - 0,15 мА.
Останні розробки National Semiconductor - безфільтрові інтегральні УМ класу D серії LM467х, що вимагають мінімального числа зовнішніх елементів і орієнтовані для використання в різних портативних пристроях з автономним живленням. Слід зазначити, що ІМС LM4673 - це взагалі самий маленький у світі підсилювач потужності звукової частоти класу D, він випускається в корпусі microSMD-9 з розмірами 1,4 × 1,4 мм, розвиваючи при цьому вихідну потужність 2,15 Вт при напрузі живлення 5 У і опорі навантаження 4 Ом. Стереофонічний варіант LM4674 випускається в корпусі microSMD-16 з розмірами 2 × 2 мм і розвиває при тих же умовах вихідну потужність 2,5 Вт / канал.
Структурна схема ІМС LM4674 представлена на рис. 5. Вхідні підсилювачі мають диференційний вхід, вихідні каскади виконані по бруківці схемою. Величина коефіцієнта посилення 6, 12, 18 або 24 дБ встановлюється керуючими напругами на висновках GAIN0 і GAIN1. Є окремі входи включення чергового режиму / SDR і / SDL, токопотребление при цьому становить 0,1 мкА / канал.
Рис. 5. Структурна схема ІМС LM4674
В асортименті продукції National Semiconductor є кілька ІМС - Електрон регуляторів для аудіопрістроїв. Параметри цих мікросхем наведені в таблиці 3.
Таблиця 3. Основні параметри ІМС - електронних регуляторів для аудіопристроїв
Одно-, дво- і триканальні прецизійні атенюатори з керуванням по трипровідні послідовному інтерфейсу LM1971 / 2/3 дозволяють регулювати рівень звукового сигналу в діапазоні 0-76 дБ з кроком 1 дБ при чудовому співвідношенні сигнал / шум, величиною перехідного затухання між каналами і мізерно малих нелінійних спотвореннях. Область застосування даних пристроїв - різна апаратура управління звуком, Мікшерський пульти, електронні музичні інструменти, звукові плати комп'ютерів і т. П. Випускаються в корпусах DIP і SO.
ІМС LM1036 і LM4610 - це інтегровані тонкомпенсірованние регулятори гучності, стереобаланса і тембру по високих і низьких частотах для двоканальних стереосистем з керуванням постійною напругою. Відрізняються малим числом зовнішніх елементів, зокрема, АЧХ регулювання тембру, глибина якої на крайніх частотах досягає ± 18 дБ, встановлюється для кожного діапазону одним зовнішнім конденсатором. ВИМС LM4610 додатково є відключається пристрій розширення стерео National 3D.
На закінчення розглянемо оригінальну ІМС LM4970, також відноситься до сімейства Boomer і представляє собою програмований індикатор рівня, - трьохполосний спектроаналізатор звукового сигналу для портативної радіоапаратури. Мікросхема містить три незалежних аудиовхода (лівий канал, правий канал, моно), мікшер, смугові фільтри низьких, середніх і високих частот, АЧХ яких визначаються ємністю зовнішнього конденсатора, а також ШІМ-контролери струму світлодіодів, керуючі яскравістю їх світіння пропорційно рівню звукового сигналу в відповідному діапазоні частот. Параметри роботи ІМС (коефіцієнт посилення, ток світлодіодів, частота ШІМ та ін.) Програмуються по двухпроводной послідовній шині I2C. Максимальний струм світлодіодів для кожного з трьох частотних каналів при напрузі живлення 5 В становить 42 мА, при цьому зовнішні баластні резистори не потрібні. LM4970 випускається в 14-вивідному корпусі LLP.
Для скорочення витрат часу на вибір і тестування інтегральних підсилювачів звукової частоти National Semiconductor створила зручну онлайн-технологію WEBENCH, розміщену на сайті фірми. Нове інтерактивне засіб має потужну систему пошуку, дозволяє швидко і точно знаходити потрібний компонент серед маси інших виробів, а також провести електричне та температурне моделювання роботи пристрою на віртуальній друкованій платі, компоновка і розводка якої теж виконується в програмній оболонці WEBENCH.
При роботі сWEBENCH розробнику електронних пристроїв більше не потрібно виробляти трудомісткі розрахунки схем і дороге фізичне макетування. Технологія забезпечує миттєвий доступ до найостанніших SPICE-моделям, специфікаціям, параметрам, інструкцій із застосування та іншої інформації про товари National Semiconductor, а також надає можливість проводити порівняння характеристик декількох пристроїв одночасно. WEBENCH інтегрований з системою онлайн-замовлень, National Semiconductor гарантує поставку будь-яких, підтримуваних засобами WEBENCH продуктів, в межах 24 годин.
Широка номенклатура і невисока вартість інтегральних мікросхем National Semiconductor для аудіотехніки, можливість онлайнового вибору і тестування робить їх дуже привабливими для широкого кола розробників РЕА. Більш детальну технічну інформацію можна знайти на сайті фірми http://www.national.com, а також на сайті ЗАТ «ПРОМЕЛЕКТРОНІКА», офіційного дилера National Semiconductor, на електронну адресу: http://www.promelec.ru/lines/nsc .html.
література
- National Analog Products Databook. 2004 Edition.
- Штрапенін Г. Л. Сучасні операційні підсилювачі фірми National Semiconductor // Компоненти та технології. 2005. № 7.
- Штрапенін Г. Л. Сучасні операційні підсилювачі фірми National Semiconductor // Компоненти та технології. 2005. № 7.
- Штрапенін Г. Л. Інтегральні імпульсні стабілізатори напруги фірми National Semiconductor // Компоненти та технології. 2005. № 1.
- Козенков Д. Інтегральні підсилювачі класу D // Електронні компоненти. 2005. № 9.
Завантажити статтю в форматі PDF 
Інші статті на Цю тему:
повідомити про помилку