Микросхемы УМЗЧ для переносных компьютеров и игрушек

Усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ) для серийной аппаратуры, даже очень
мощные и качественные, в последнее время превратились в очень простые конструкции.
Они состоят из микросхемы УМЗЧ, которая, как правило, устанавливается на радиаторе,
и около десятка деталей внешней обвязки. Правда, микросхем этих очень много. Каковы
их особенности и отличия? На этот вопрос нельзя полноценно ответить в одной публикации.
Поэтому настоящая статья посвящена только нескольким микросхемам, производимым
компаниями Analog Devices и Maxim, маломощным и малогабаритным.

Удивительно, но большая часть публикаций
по микросхемам УМЗЧ касается мощных
и очень мощных усилителей. Каким-то образом вне рассмотрения оказались микросхемы, широко используемые в малогабаритной и миниатюрной аппаратуре. Одна из особенностей этих микросхем — это малые размеры. К аппаратуре, в которой
применяются подобные УМЗЧ, можно отнести переносные компьютеры, коммуникаторы, радиотеле-
фоны, схемы громкоговорящей телефонии и селекторной связи, электронные словари и органайзеры,
музыкальные, говорящие игрушки и игры (в том числе карманные). Этот перечень можно продолжать
до бесконечности. Попробуем заполнить образовавшуюся информационную нишу, рассмотрев в этой
статье четыре микросхемы УМЗЧ, разработанные
и произведенные фирмами Analog Devices и Maxim.

Часть упомянутой выше аппаратуры питается низким напряжением 3–5 В и даже менее. Кроме того,
в большинстве из этих устройств используются химические источники питания. Поэтому к УМЗЧ, применяемых в этих устройствах, предъявляются повы-

шенные требования по экономичности. Для полноценного использования низковольтного источника
питания в микросхемах УМЗЧ для перечисленных
применений очень часто используются выходные каскады с мостовым выходом.

Основные принципы работы УМЗЧ с мостовым выходом

Такое устройство содержит два выходных усилителя (канала), сигналы на выходах которых имеют
одинаковый размах, но противоположные фазы.
Громкоговоритель включается между выходами этих каналов. На рис. 1 показаны две наиболее распространенные схемы управления мостового УМЗЧ — параллельная (рис. 1а) и последовательная (рис. 1б).

Одним из достоинств мостового УМЗЧ является
отсутствие разделительного конденсатора на выходе. Еще одна особенность, которая называется railtorail («от шины до шины»). Смысл ее в том, что при
напряжении питания U максимальный размах выходного сигнала на каждом из выходов может достигать U (от шины «земля» до шины напряжения питания), а на мостовом выходе— 2U (без
учета небольших падений напряжения на выходных транзисторах в режиме насыщения). Для уменьшения этих падений напряжения в выходных каскадах микросхем УМЗЧ
применяют МДП-транзисторы с очень малым сопротивлением канала при открытии таких транзисторов до насыщения.

При параллельном управлении (рис. 1а)
один канал представляет собой инвертирующий усилитель, а другой — неинвертирующий. В мостовом УМЗЧ с последовательным
(рис. 1б) управлением оба канала являются инвертирующими усилителями. Такие усилители в англоязычной технической документации иногда называют Master-Slave (дословный
перевод — «хозяин-раб», однако в технической литературе используется термин «ведущий-ведомый»). В этой схеме (см. рис. 1б) сигнал на второй канал поступает с выхода первого через делитель (R1, R2), с помощью
которого выравнивается размах инверсного сигнала на входе канала 2 относительно сигнала на входе канала 1, а значит, обеспечивается равенство размахов противофазных сигналов на выходах УМЗЧ, между которыми
подключен громкоговоритель.

Микросхема УМЗЧ SSM2211 фирмы Analog Devices

Микросхема SSM2211 фирмы Analog Devices — это высококачественный УМЗЧ с мостовым выходом и плавным (без щелчка)
включением и выключением. Микросхема способна развивать мощность 1 Вт на нагрузке сопротивлением 8 Ом или 1,5 Вт на нагрузке
в 4 Ом. Диапазон рабочих температур — от –20 до +85 °C. Эта микросхема питается от одиночного источника питания +2,7… +5,5 В, но при
этом сохраняет работоспособность при снижении напряжения до 1,75 В. При выходной мощности 1 Вт коэффициент нелинейных искажений (THD) не превышает 0,2%, а полоса
рабочих частот составляет 4 МГц. Микросхема изготавливается в одном из двух 8-выводных корпусов: SOIC (SSM2211S) для поверхностного монтажа или PDIP (SSM2211P). Максимальные размеры микросхемы SSM2211S—
4x5x1,75 мм, а SSM2211P — 7,11×10,92×4,95 мм.

Функциональная схема SSM2211 показана
на рис. 2, а расположение выводов— на рис. 3
(масштаб здесь и ниже не соблюдается).
Назначение выводов микросхемы SSM2211 сведено в табл. 1.

Из рис. 2 видно, что в микросхеме используется последовательное управление каналами. Микросхема SSM2211 имеет дифференциальный вход (выводы 3 и 4) и мостовой выход
(выводы 5 и 8). К выводу 2 подключается внешний конденсатор, которым заземляется по переменной составляющей неинвертирующий вход второго канала. Внутренние резисторы, подключенные к этим выводам, — это
делитель начального смещения неинвертирующего входа второго канала. Два других внутренних резистора — это цепь ООС, определяющая коэффициент усиления канала 2,
а значит, выравнивающая размах выходного сигнала на выводе 8 с размахом сигнала на выводе 5. При подаче низкого потенциала (до 1 В) на вывод 1 (SHUTDOWN) выходные каскады
канала 2 плавно запираются и потребление микросхемы значительно снижается. При высоком уровне управляющего напряжения (более 1,7 В) на этом выводе схема управления напряжением смещения на работу микросхемы не влияет. Типовая схема включения
микросхемы SSM2211 показана на рис. 4.

Конденсатор CS блокирует источник питания по переменной составляющей тока микросхемы. В качестве этого конденсатора, как
правило, используется конденсатор фильтра питания всего устройства. Конденсатор CC— разделительный, а CB блокирует неинвертирующие входы обоих каналов мостового усилителя. Благодаря внешнему соединению неинвертирующих входов (выводы 2 и 3) схема
управления смещением управляет включением и выключением обоих каналов. Обратная связь через RF, а также ограничивающий резистор RI задают коэффициент усиления
УМЗЧ по напряжению, определить который можно по формуле:

На рис. 5 показано, как можно подключить к микросхеме SSM2211. В этой схеме каждый
канал нагружен на свой громкоговоритель. Такое подключение громкоговорителей (один провод и шина корпус) в отличие от мостового (двухпроводного) включения называют однопроводным и сокращенно обозначают SE
(Single-Ended).

Если из схемы рис. 5 изъять один громкоговоритель, например BA1, что вполне допустимо, то коэффициент усиления УМЗЧ по напряжению будет вдвое меньше, чем при типовом включении, и определить его можно по
формуле:

Микросхема УМЗЧ SSM2250 фирмы Analog Devices

Микросхема SSM2250 фирмы Analog Devices
представляет собой стереофонический УМЗЧ,
основное применение которого— это звуковые карты различных компьютеров, включая
настольные. Главная особенность этой микросхемы — это наличие двух режимов работы: «стерео» (при работе на головные телефоны) и «моно» (при работе на внутренний громкоговоритель компьютера). В режиме «моно»
микросхема развивает мощность до 1,5 Вт
на нагрузке в 4 Ом, в режиме «стерео» —
до 250 мВт на головные телефоны (на нагрузке 32 Ом — номинальная мощность 2×90 мВт).
Сопротивление применяемых в схеме головных телефонов лежит в пределах от 32 до 600 Ом (оптимальное сопротивление 80 Ом). Диапазон рабочих температур —
от –40 до +85 °C.

Функциональная схема SSM2250 показана на рис. 6.

Внимательный читатель легко заметит, что включение двух верхних усилителей (каналов мостовой схемы) и схемы управления
смещением совпадает с функциональной схемой микросхемы SSM2211 (см. рис. 2). В этом устройстве добавлены схема переключения
режимов «моно» и «стерео» (для телефонов) и еще один усилитель, который используется в качестве усилителя правого канала для
головных телефонов. В режиме «моно» входы LEFT IN и RIGHT IN соединены внутренним ключом микросхемы, и ее работа не отличается от работы микросхемы SSM2211.
В режиме «стерео» ( для телефонов) этот ключ разомкнут, а усилитель с выходом BTL+ заперт, и в качестве стереоусилителя для головных телефонов используются верхний и нижний (см. функциональную схему)
усилители.

Микросхема изготавливается в одном из двух корпусов: MSOP, который имеет 10 выводов (SSM2250RM), или TSSOP с 14 выводами для поверхностного монтажа (SSM2250RU).
Расположение выводов этих микросхем показано на рис. 7, а назначение их — в табл. 2.

Типовое включение микросхемы SSM2250RU
изображено на схеме рис. 8. На этой схеме так же, как и на функциональной схеме, в скобках указаны номера выводов микросхемы
SSM2250RM.

Назначение деталей: C1, C2, C4, C5 — разделительные конденсаторы; C3 — блокирует неинвертирующие входы обоих каналов мостового
усилителя; R1, R2 — ограничивающие резисторы; R3, R4 — резисторы ООС; резисторы R5, R6
работают в режиме «моно» в качестве эквивалентов нагрузки при отключенных головных телефонах; R7 — подтягивающий резистор, задает высокий уровень на выводе SE/BTL.

Переключение режимов «моно» и «стерео»
(для телефонов) осуществляется выключателем, который совмещен с гнездом подключения головных телефонов X1. В режиме «моно» контакты этого выключателя разомкнуты
и через резистор R7 на вывод SE/BTL подается высокий потенциал. При этом схема переключения режимов обеспечивает включение
среднего усилителя (по функциональной схеме рис. 6) и, если на выводе SHUTDOWN присутствует высокий потенциал, усилитель работает на громкоговоритель как усилитель
с мостовым выходом. В режиме «стерео» в гнездо X1 (см. рис. 6) вставлен штекер головных телефонов, и телефон левого канала шунтирует малым сопротивлением вывод
SHUTDOWN на корпус, уменьшая напряжение на этом выводе. При этом средний усилитель (по функциональной схеме) запирается, а верхний и нижний будут работать на головные телефоны.

Основные принципы работы УМЗЧ класса D

Наиболее радикальным способом повышения экономичности УМЗЧ является
использование режима работы класса

D. В этом режиме выходные транзисторы
могут находиться только в запертом или открытом до насыщения состоянии, то есть
работают в ключевом режиме. В режиме работы класса D входной аналоговый сигнал
звуковой частоты преобразуется в импульсы прямоугольной формы одинаковой амплитуды, длительность которых пропорциональна мгновенному значению входного
сигнала в момент выборки. Такое преобразование называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Усилители класса D имеют максимальный КПД, так как основные потери энергии на выходных мощных
ключах происходят только в момент переключения, при насыщении потери энергии минимальны и будут тем меньше, чем меньше сопротивление насыщенного ключа.
Обычные усилители класса D имеют КПД около 90% и достаточно большой коэффициент нелинейных искажений (до 10%), но применение новых технологий (ноу-хау производителей) позволяет снизить коэффициент нелинейных искажений до долей
процента.

Упрощенная принципиальная схема УМЗЧ класса D показана на рис. 9. Основой этого усилителя является обычный двухтактный бестрансформаторный
УМЗЧ с инвертирующим входом, который используется как широтно-импульсный модулятор (ШИМ). Назначение деталей схемы: C1, C2, C4 — разделительные конденсаторы; C5— конденсатор фильтра питания; R1 — ограничивающий резистор; R2 — резистор ООС; L1, C3 — фильтр нижних частот.

На инвертирующий вход усилителя кроме сигнала звука поступает пилообразный (треугольный) сигнал с генератора. Частота работы этого генератора лежит обычно в пределах
200–600 кГц, но в некоторых случаях может быть уменьшена до 100 кГц или увеличена до 1,5 МГц. Размах «пилы» от генератора и коэффициент усиления УМЗЧ выбраны так, чтобы выходные транзисторы этого каскада открывались попеременно до насыщения при
переходе напряжения «пилы» через ноль. Эпюры напряжений, поясняющие работу этой схемы, показаны на рис. 10.

До момента времени t1 (см. рис. 10) звуковой сигнал на входе отсутствует. «Пила» абсолютно симметрична, и на выходе (точка B рис. 9) образуются симметричные прямоугольные импульсы (меандр). Скважность
этих импульсов равна 2. При подаче на вход усилителя сигнала НЧ «пила» будет смещаться вверх или вниз. Изменятся моменты отпирания транзисторов, и, как следствие, будут меняться длительность выходных импульсов и пауза между ними (см. рис. 10).
Причем эти параметры будут изменяться по закону входного низкочастотного сигнала звука. Полученный импульсный сигнал с переменной скважностью называют, как мы
говорили выше, широтно-импульсным, или ШИМ-сигналом, а процесс его полученияширотно-импульсной модуляцией (ШИМ). ШИМ-сигнал содержит большую по амплитуде низкочастотную (звуковую) составляющую, по форме повторяющую модулирующий сигнал. Далее ШИМ-сигнал поступает на ФНЧ (L1, C3), который пропустит НЧ-составляющую на громкоговоритель и подавит
ВЧ-составляющие ШИМ-сигнала. За счет процесса заряда-разряда конденсатора ФНЧ переменное напряжение на громкоговорителе будет зубчатым, что можно увидеть на увеличенном фрагменте нижнего графика на рис. 10. Эта зубчатость уменьшается с увеличением частоты генератора ШИМ, а также при увеличении постоянной времени ФНЧ.

На выходе современных УМЗЧ класса D используются мощные ключи на МДП-транзисторах, которые отличаются быстродействием и низким сопротивлением канала в открытом состоянии, что позволяет получить
высокий КПД.

Микросхема УМЗЧ класса D MAX4295 фирмы Maxim

Микросхема MAX4295 фирмы Maxim — это высокоэкономичный монофонический УМЗЧ класса D с мостовым выходом и плавным включением и выключением (режим малого потребления). Микросхема способна
развивать мощность до 2 Вт на нагрузке сопротивлением 4 Ом при напряжении питания 5 В либо 0,7 Вт при напряжении питания В. Диапазон рабочих температур — от –40 до +85 °C. Микросхема питается от одиночного источника питания +2,7… +5,5 В. При
выходной мощности 2 Вт и сопротивлении нагрузки (громкоговорителя) 4 Ом КПД составляет 87%. Одна из особенностей этой микросхемы — возможность программно устанавливать частоту генератора пилообразного напряжения (125, 250, 500 или 1000 кГц).
Коэффициент нелинейных искажений (THD + N) не превышает 0,4%, при нагрузке 4 Ом и частоте ШИМ 125 кГц. Полоса рабочих частот составляет 1,5 МГц. Микросхема изготавливается в корпусе QSOP, который имеет
16 выводов. Функциональная схема микросхемы MAX4295 показана на рис. 11,

а расположение выводов — на рис. 12.

Назначение выводов этой микросхемы дано в табл. 3.

Микросхема MAX4295 содержит предварительный усилитель (верхний слева, см. рис. 11),
5 фирмы Maxim,
схему управления питанием и схему защиты, генератор
импульсного напряжения, схему сравнения (компаратор) ШИМ, два канала усиления, каждый из которых состоит из предвыходного каскада и выходного двухтактного ключевого каскада на комплиментарных МДП-транзисторах. Кроме того,
навходе одного из этих каналов установлен инвертор. Напряжение питания на выходные каскады микросхемы поступает отдельно от напряжения питания остальной схемы. Частота работы генератора импульсного напряжения, то есть частота
ШИМ, определяется логическими уровнями на выводах FS1 и FS2 (см. табл. 4).

При подаче низкого уровня напряжения на вход плавного выключения SHDN микросхема плавно запирается, ток потребления снижается до 1,5 мкА и менее.

Типовое включение микросхемы MAX4295 изображено на рис. 13.

Рассмотрим назначение деталей этой схемы: C1 — разделительный конденсатор; C2, C3 — конденсаторы
фильтра питания; C4, C5 — конденсаторы фильтра питания выходных каскадов; C6 — конденсатор схемы плавного включения; R1— ограничивающий резистор; R2 — резистор ООС; L1, C7 и L2, C8 — фильтры нижних частот.

Особенности микросхемы УМЗЧ класса D MAX4297 фирмы Maxim

Микросхема MAX4297 фирмы Maxim — это высокоэкономичный стереофонический УМЗЧ класса D с мостовыми выходами
и плавным включением-выключением. Эта микросхема отличается от MAX4295 наличием второго мостового канала усиления класса D, включая компаратор ШИМ, но имеет общие каскады — генератор «пилы», схему управления питанием и схему защиты. Микросхема изготавливается в корпусе SSOP, который имеет 24 вывода. Расположение выводов
микросхемы MAX4297 изображено на рис. 14, а назначение выводов— в таблице 3.

Типовое включение микросхемы MAX4297
показано на рис. 15.

Типовое включение микросхемы MAX4297
показано на рис. 15.

Разобраться в назначении деталей этой схемы читатель может самостоятельно, сравнив
эту схему со схемой включения микросхемы MAX4295.

Дополнительную информацию о представленных в настоящей статье микросхемах можно найти на сайтах производителей:

• http://www.analog.com
• http://www.maxim-ic.com

Литература

1. Савельев. Е. Усилитель класса D для сабвуфера // Радио. 2003. № 5.
2. Дайджест «Новая техника и технология» //Радиохобби. 2001. № 2.
3. Колганов А. Автомобильный УМЗЧ с блоком питания // Радио. 2002. № 7.
4. Безверхний И. Современные микросхемы для УМЗЧ класса D фирмы MPS // Современная электроника. 2004. № 1.
5. Low Distortion 1.5 Watt Audio Power Amplifier SSM2211. Analog Devices.
6. Mono 1.5 W/Stereo 250 mW Power Amplifier SSM2250. Analog Devices.
7. Mono/Stereo 2W Switch-Mode (Class-D) Audio Power Amplifiers MAX4295/MAX4297. MAXIM.