Однополярное питание TDA7294

Вот уже два десятка лет большой популярностью среди линейных усилителей пользуется ИМС типа TDA7294, особенно если речь идет о более-менее мощном устройстве. Типовые схемы включения, приведенные в даташите на ИМС, особенно мостовая схема, имеют существенные недостатки.

Во-первых, они не предполагают питание от однополярного источника. Конечно, в большинстве случаев блок питания, используемый в составе этого усилителя, представляет собой обычный трансформаторный двухполярный источник, часто изготавливаемый самостоятельно благодаря своей простоте. Но что, если хочется получить более компактный и современный усилитель, используя импульсный блок питания, не страдающий провалами напряжения и выдающий стабильное стабилизированное питание. Подходящие двухполярные источники отсутствуют в продаже, а самостоятельное их проектирование и изготовление – трудная и узкоспециализированная задача. Конечно, можно соединить два источника последовательно для получения двухполярного питания. Но это чревато неодновременной подачей напряжения на оба плеча и, кроме того, ухудшением безопасности такого прибора, так как в случае появления фазы на корпусе ток утечки, проходящий на человека при касании, увеличивается вдвое.

Во-вторых, по поводу мостового включения. Вообще, я рекомендую строить именно мостовую схему, даже при небольших мощностях. Во-первых, возможно получение той же мощности при вдвое меньшем напряжении питания (а высоковольтные источники дефицитны, больше 48 В и нет). Во-вторых, нагрузка на отдельно взятую ИМС уменьшается в два раза, поскольку распределяется на их вдвое большее количество. В итоге получается вдвое лучший теплообмен и повышается надежность усилителя. Ну и, наконец, отсутствует выходной разделительный конденсатор (актуально при однополярном питании). Еще хотелось бы развеять один миф о мостовом включении, как будто бы оно вносит больше искажений, чем обычное. А для их минимизации ОУ в обоих плечах (работающих в противофазе) должны иметь строго одинаковый коэффициент усиления. Что совершенно неверно, так как выходное напряжение получается путем разности напряжений между выходами ОУ, то есть оно относительное, а не абсолютное (нет привязки к земле, относительно которой работает обратная связь каждого из плеч). Поэтому нет необходимости точного подбора резисторов, задающих величину усиления. Учитывая приведенные выше особенности, далее рассматриваем преимущественно мостовую схему.

Итак, в чем же недостаток типовой мостовой схемы включения. Вот она приведена на рис. 1.

Рис. 1

Можно заметить, что входной сигнал подается только на верхнее плечо усилителя. Откуда же берется сигнал для нижнего инвертирующего плеча? Проследим последовательность работы схемы. Сигнал, поданный на верхнее плечо, усиливается им и появляется на его выходе, затем с этого же выхода усиленный сигнал ослабляется делителем и снова усиливается, но уже с помощью нижнего плеча. Таким образом, верхняя ИМС работает нормально, а нижняя усиливает сигнал, уже искаженный верхней ИМС и, к тому же, еще и с временной задержкой (то есть со сдвигом по фазе, который набегает во время прохождения сигнала по верхней ИМС). Во избежание этого входной сигнал должен подаваться непосредственно на входы обоих плеч. Для этого нужно нижний контакт резистора 680 Ом нижней ИМС отсоединить от земли и присоединить к выводу 3 верхней ИМС, а резистор 22 кОм, соединяющий выход верхней ИМС и инвертирующий вход нижней ИМС, убрать. В итоге получается не что иное как классическая мостовая схема включения ОУ. Единственное оправдание целесообразности применения типовой мостовой схемы состоит в высоком входном сопротивлении усилителя (здесь 22 кОм), поэтому не требуется большой входной емкости (здесь 0.56 мкФ) для прохождения низших звуковых частот. В нашем же случае оно уменьшается примерно в 30 раз (коэффициент усиления одного плеча), так как теперь эти 680 Ом фактически шунтируют те 22 кОм (поскольку вывод 2 нижней ИМС – виртуальная земля). Поэтому приходится увеличивать входную емкость, хотя допустимо небольшое увеличение и номиналов резисторов, задающих величину усиления. Но в случае использования какого-либо предусилителя или активного регулятора проблема низкого входного сопротивления отпадает. В крайнем случае, всегда можно поставить повторитель на ОУ. Но зато избавимся от искажений, присущих типовой схеме.

Итак, рассмотрим схему действительно качественного мостового усилителя на ИМС типа TDA7294 с однополярным питанием. Схема одного канала усиления представлена на рис. 2.

Рис. 2

Входные цепи.

Верхний контакт резистора R1 – вход усилителя. Этот резистор необходим для подтяжки входа к земле в случае, если источник сигнала не подключен. Без R1 слева от входной емкости C1 теоретически может присутствовать любое напряжение (даже статические заряды могут натекать) и при коммутации источника сигнала возможны треск и щелчки в колонках. В принципе возможно использование R1 в качестве регулятора громкости (движок подключается к левому контакту R2), но тогда он должен иметь сопротивление не намного больше номинала R7 и линейную характеристику. Далее полосовой фильтр, состоящий из фильтров ВЧ C1(R3||R7) и НЧ (R2||R3||R7)C2. Фильтр НЧ обязательно необходим, так как защищает вход усилителя от всякого рода излучений (вроде люминесцентных ламп), а также предотвращает самовозбуждение в отдельных случаях (например, при подаче на вход ультразвука). Иногда встречается схема полосового фильтра (причем в применении к этой ИМС), где фильтр НЧ образуется присоединением верхнего контакта емкости C2 не к правому, а к левому контакту C1. Такой фильтр не настолько эффективен, так как емкость C2 должна шунтировать именно вход (вывод 3 U1) на самых высоких частотах. А тут C2 соединяется с входом не непосредственно, а через C1, а это немалый пленочный или электролитический конденсатор, то есть достаточно индуктивный, а в последнем случае еще и с последовательным сопротивлением.

Мостовое включение.

Обратим внимание, что в цепь обратной связи инвертирующей ИМС (U2) добавлен дополнительный резистор R9, которого нет в соответствующей цепи ИМС U1. Сделано это для выравнивания коэффициента усиления по обоим плечам. Таким образом, более оптимально используется диапазон напряжения питания и при перегрузке сигнал ограничивается симметрично. Это тем заметнее, чем меньше усиление.

Прочие особенности.

На стабилитроне D1 собрана схема формирования сигналов управления входами ST-BY и MUTE. Нет необходимости в подаче полного напряжения питания по этим входам, как часто встречается. Это и вредно, так как при выключении питания требуется больше времени для разрядки емкостей C23, C24 и, соответственно, возрастает вероятность нежелательных щелчков при переходных процессах. Также обратим внимание, что в RC-цепочках номиналы резисторов увеличены, а конденсаторов – уменьшены на порядок. Так что нет необходимости в громоздких электролитах (как в типовой схеме включения) с их утечками, что и позволяет использовать более высокоомные резисторы, а собственно ток потребления по этим входам ничтожно мал.

На ОУ U5 собрана схема формирования средней точки по питанию. При этом сигнальная земля (она же средняя точка) оказывается отделенной от силовых линий питания (Vdd и Vss), что упрощает разводку печатной платы (невозможны ошибки, связанные с прохождением силовых токов по сигнальной земле).

Также при необходимости возможна реализация защиты по питающему напряжению. Для защиты от обратной полярности используется диод Шоттки D3, а от перенапряжения – несимметричный трансил D4. При указанных номиналах D3 и D4 напряжение питания не должно превышать 53 В.

Детали.

Конденсаторы C1, C3, C8 – пленочные. Среди них C3 и C8 необязательны, правда, при этом возрастает постоянная составляющая на выходе, но зато уменьшается порядок фильтра ВЧ и емкость C1 можно уменьшить до 3.3 мкФ. При необходимости возможна минимизация постоянной составляющей подбором номиналов R3 и R6. Конденсаторы C2, C6, C21 – типа NP0, C4 и C9 – электролитические на напряжение от 20-25 В (хотя желательно использование новых алюминиевых полимерных, типа ERS), остальные – керамические типа X7R. Резисторы R23 и R24 – однопроцентные. ИМС U5 – любой доступный высоковольтный ОУ с выходным током от единиц мА и выше, желательно скорректированный под единичное усиление. Приведенный в качестве примера OPA445 выдерживает до 90 В по питанию и выдает до 15 мА выходного тока. Если столь высокое напряжение не требуется, можно применить более дешевый OPA551 (60 В, 200 мА). Вместо TDA7294 возможно использование других ИМС из этой серии. При этом возможны различия в допустимых пределах напряжения питания и подключении конденсаторов вольтодобавки (C4, C5, C9, C10).

Расчет параметров.

Ниже приведены соотношения для расчета основных параметров усилителя и некоторых схемных номиналов.

Для приведенных же на схеме номиналов и при напряжении питания 43 В основные параметры усилителя следующие:

Примечания.

Конденсаторы по питанию здесь не изображены на схеме, так как их количество и номиналы зависят от желаемых размеров корпуса, платы, напряжения питания, мощности и т.п. Подключаются они только между линиями Vdd и Vss, но никак не между ними и средней точкой по питанию.

При желании данная схема может быть легко перестроена под обычное, не мостовое включение. Для этого достаточно отбросить нижний каскад (элементы U2, R6, R7, R8, R9, C6, C7, C8, C9, C10) и добавить разделительный конденсатор на выходе, а нагрузку подключить не к земле (как в типовой схеме включения), а к силовой линии питания Vss. При этом сигнальная земля по-прежнему остается отделенной от силовых цепей, то есть это не является заслугой мостового включения как такового, а именно примененной однополярной системы питания.

Скачать исходник схемы в пакете Orcad Family Release 9.2 (246 Kb)

В. ГНАТЮК, г. Киев, E-mail: gnatyuk_vitya@mail.ru

Наверх