Проектирование схемы драйвера усилителя мощности с использованием Op Amps для динамиков вождения

Роль операционных усилителей в усилителях аудиосигнала

Оперативные усилители (op amps) являются основой бесчисленных аналоговых аудиосхем. Их сочетание высокого коэффициента усиления в открытом цикле, низкого искажения, широкой полосы пропускания и гибкого управления обратной связью делает их идеальными для управления передней стадией усиления напряжения драйвера динамика. В типичной цепочке усилителя мощности усилитель оптики принимает сигнал уровня линии (обычно 0,3-2 V _{] RMS}) и повышает его до качения напряжения 10-30 V _p-p, достаточного для управления стадией выхода мощности, которая подает ток непосредственно на нагрузку динамика.

Современные усилители аудиоопераций предлагают исключительно низкие показатели суммарного гармонического искажения (THD + N) ниже 0,001%, высокие скорости потери (например, 20 В / мкс или больше для широкополосного аудио) и варианты выхода из рельсов в рельсы, которые максимизируют запас хода. При использовании с надлежащими сетями обратной связи они обеспечивают точное управление коэффициентом усиления и отличную линейность, что делает их превосходным выбором по сравнению с дискретными транзисторными усилителями напряжения во многих конструкциях с низким и средним энергопотреблением (до ~ 50 Вт в 8 Ом).

Ключевые параметры выбора усилителя op в цепи водителя включают:

Единичная полоса пропускания — не менее 10 МГц для хорошего фазового поля и низкого искажения при 20 кГц.
Возможность выводить ток — в то время как сам усилитель op не может напрямую управлять динамиком, он должен подавать достаточно тока, чтобы зарядить входную емкость силовых транзисторов и обрабатывать переходные пики без ограничения стреловидности.
Шумовая производительность — выберите усилитель с низкой плотностью шума напряжения (например, 1-3 нВ/Гц), чтобы поддерживать уровень шума ниже слышимых уровней.
Диапазон подачи электроэнергии — двойные поставки ±12 В до ±18 В являются общими; усилитель оптики должен выдерживать используемые напряжения рельсов.

Для рекомендуемых устройств см. Руководство по выбору аудио усилителей (TI Audio Op Amp Selection Guide) для малошумных опций, таких как OPA2134 или OPA1656.

Основные принципы дизайна

Каждый драйвер усилителя мощности на основе операционного усилителя должен удовлетворять трем основным требованиям: усиление напряжения, привод тока и стабильность. усилитель op обеспечивает усиление напряжения; дополнительная ступень транзистора с толкающим импульсом обеспечивает усиление тока (и, следовательно, мощность) для управления низким импедансом динамика (обычно 4-8 Ω). Отдача от вывода обратно к инвертируемому входу усилителя op гарантирует, что общий коэффициент усиления замкнутого цикла точно устанавливается внешними резисторами и что искажение от выходной стадии корректируется.

Основной поток проектирования:

Выберите общее увеличение напряжения (например, 20 дБ или 30 дБ) на основе чувствительности входа и требуемой выходной мощности.
Разработайте сеть обратной связи вокруг усилителя op: для неинвертирующей конфигурации, коэффициент усиления = 1 + (R_]f / R_g).
Добавить смещающуюся сеть (например, V_be) множитель или диодный стек) для установки небольшого покоящегося тока в выходных транзисторах для устранения кроссоверового искажения.
Включает защиту выходной стадии (резисторы эмиттера, дзенеровые диоды для пиков напряжения и, возможно, реле защиты динамика).
Обеспечить надлежащее отсоединение источника питания и фильтрацию входа, чтобы предотвратить помехи радиочастотного излучения и шум источника питания от входа в аудио путь.

Важная оговорка: качание выходного напряжения усилителя ограничено его силовыми рельсами. Если требуемая выходная мощность требует качения пикового напряжения, большего, чем может доставить усилитель, может потребоваться стадия транзистора предварительного водителя для сдвига уровня или повышения напряжения перед конечной стадией вывода. Для большинства конструкций до 30–40 Вт в 8 Ом достаточно одного усилителя, работающего от рельсов ±15 В.

Обзор топологии Circuit Topology

Наиболее распространенной топологией для драйвера операционного усилителя класса АВ является неинвертирующий усилитель напряжения, за которым следует дополнительная выходная стадия с подталкиванием. Упрощенная схема включает в себя:

Op amp (U1) в неинвертирующей конфигурации с задающими коэффициент усиления резисторами R_f и R_g.
Смещение сети (Q3, Q4 как V_be множитель или два диода последовательно) между основаниями выходных транзисторов для установки покоящегося тока.
Транзисторы NPN (Q1) и PNP (Q2), проводные как последователи эмиттера.
Резисторы эмиттера (R_]e1, R_e2) 0,1-0,33 Ω для улучшения термостойкости и ограничения тока при перегрузке.
Сеть Zobel (R + C в серии) на выходе для обеспечения устойчивости с емкостными нагрузками.
Конденсатор ввода (C_{) в}) для блокирования смещения постоянного тока от источника.

Выход усилителя op приводит в движение основания обоих выходных транзисторов через смещающуюся сеть. Выход берется из соединения двух резисторов излучателя и подается обратно на инвертирующий вход усилителя op через сеть обратной связи. Эта глобальная обратная связь уменьшает импеданс выхода и корректирует нелинейности на выходной стадии.

Для более высоких уровней мощности (например, 100 Вт +) между усилителем op и выходной стадией может быть добавлена пара Дарлингтона или драйверные транзисторы, чтобы уменьшить нагрузку на усилитель op и увеличить коэффициент усиления тока.

Подробный выбор компонентов

Op Amp — Ищите устройство с низким искажением, высокой скоростью потери и достаточным выходным током (например, NE5532, OPA2134, LME49720). Избегайте op-амперов общего назначения, таких как LM741, из-за плохого шума и пропускной способности. Аналоговые устройства примечание «Audio Amplifier Design Considerations» предоставляет отличные рекомендации по выбору op-ампера.

Силовые транзисторы — Для усилителя средней мощности (10–50 Вт) используйте дополнительные пары, такие как TIP41C (NPN) и TIP42C (PNP). Они дешевы, широко доступны и могут обрабатывать до 6 А при правильном потеплении. Их таблицы данных, например, НА Семипроводниковой таблице данных TIP41C/TIP42C , перечисляют безопасные рабочие области (SOA) и значения термостойкости, критические для конструкции теплоотвода. Для более высокой мощности рассмотрим пары MJE15030/15031 или 2N3055/MJ2955.

Сети смещения — Умножитель V_be с использованием транзистора и горшка позволяет регулировать спокойный ток. Альтернативно, два диода 1N4007 последовательно с резистором могут обеспечивать фиксированное напряжение смещения около 1,2-1,4 В, достаточное для установки небольшого постоянного тока (10-50 мА) на выходной стадии. Слишком низкий уровень вызывает искажение кроссовера; слишком высокая мощность отходов и может вызвать тепловой бегство.

Резисторы обратной связи — Используйте резисторы металлопленки с 1% допуском для низкого шума и стабильного усиления. Типичные значения: R_fff_g = 1 кОм даёт прирост 23_f, но сохраняйте параллельную комбинацию R_ff_g выше 1 кОм, чтобы избежать загрузки операционного усилителя.

Компоненты питания — Используйте зажатый в центре трансформатор, выпрямитель моста и большие конденсаторы фильтра (например, 4700 мкФ на рельс). Добавьте небольшие керамические конденсаторы (0,1 мкФ) близко к каждой ИС и транзистору для разъединения высокочастотного шума.

Поставка электроэнергии и разъединение

Чистый, хорошо регулируемый источник питания необходим для низкошумной аудиопроизводительности. Большинство схем драйвера усилителя лучше всего работают с двойными симметричными источниками (±12 В до ±18 В). Можно использовать один источник питания, но требуется виртуальный наземный генератор и выход, связанный с конденсатором, что снижает низкочастотную реакцию и увеличивает сложность.

Ключевые точки проектирования источника питания:

Используйте тороидальный трансформатор для минимизации излучения магнитного поля. Трансформатор 50-100 ВА адекватен усилителю мощностью 30-40 Вт.
Добавить небольшой резистор (например, 0,22 Ом, 5 Вт) в ряд с трансформаторной вторичной обмоткой, чтобы сформировать RC-фильтр с основными конденсаторами, уменьшая рябь.
Включите диоды быстрого восстановления в выпрямитель моста, чтобы уменьшить шум переключения.
Поместите 100 нФ керамические конденсаторы как можно ближе к штифтам питания операционного усилителя. Также добавьте 10 мкФ электролитические конденсаторы рядом, чтобы обрабатывать низкочастотное отсоединение.
Используйте топологию звездного грунта: доведите все возвраты земли до одной точки, чтобы избежать наземных петель, которые вводят гул в звуковой путь.

PCB Layout Лучшие практики

Неправильная компоновка может превратить в противном случае отличную схему в шумный, колеблющийся беспорядок.

Держите усилитель op близко к входному разъему, а силовые транзисторы - близко к выходному разъему и теплоотводу.
Маршрутируйте путь обратной связи непосредственно от выходного узла к инвертируемому входу усилителя оптики с коротким широким следом. Не позволяйте сигналу обратной связи делиться наземным возвратом с высокоточными путями.
Используйте наземную плоскость на одном слое (для двухслойной платы), но разбейте ее под входной ступенью, если это необходимо, чтобы избежать шума соединения. Альтернативно, используйте выделенный дорожный след для пути аудиосигнала.
Размещать отсоединяющие конденсаторы в пределах 5 мм от усилителей питания усилителя.Керамические конденсаторы должны иметь свои собственные прокладки к наземной плоскости.
Держите силовой транзистор коротким и используйте тяжелые медные следы (шириной не менее 2 мм) для соединений коллектора и излучателя для обработки тока и рассеивания тепла.
Добавить ферритовые шарики на входной сигнал и линии электропитания для подавления радиочастотных помех.

Тестирование и устранение неполадок

Перед тем, как приводить в действие схему в первый раз, дважды проверьте все соединения, полярность электролитических конденсаторов и ориентацию усилителя и транзисторов. Используйте переменный запас питания на стенде, установленный на низкий предел тока (например, 200 мА), чтобы избежать разрушения компонентов в случае ошибки проводки.

Пошаговая процедура тестирования:

При закороченном на землю входе питание и проверка смещения постоянного тока на выходе должно быть менее ±50 мВ. Более высокое смещение указывает на проблему с входным током смещения или сетью обратной связи.
Измерить покойный ток, вставив мультиметр (в текущем режиме) между положительной рельсовой подачей и цепью. Для этапа класса АВ, ожидайте 20–100 мА в зависимости от настройки смещения. Отрегулируйте горшок смещения, если он присутствует.
Подключите резистивную нагрузку (например, 8 Ом, 10 Вт силового резистора) вместо динамика. Примените синусоидальную волну 1 кГц на входе при низком напряжении (пик 100 мВ). Наблюдайте выход на осциллографе. Ищите чистое усиление без обрезки или искажения.
Постепенно увеличивайте входной сигнал до тех пор, пока не произойдет обрезка. Сравните уровень обрезки с ожидаемым максимумом на основе рельсов электропитания и усиления.
Проверка высокочастотных колебаний: касайтесь выхода с помощью зонда прицела при 10 мкс/див. Любое звон или колебание (особенно на частотах МГц) требует добавления небольшого конденсатора (10-100 pF) через резистор обратной связи или сеть Zobel на выходе.
Если контур чрезмерно нагревается, немедленно отключайтесь. Возможные причины: неправильный смещение (слишком высокое), колебание или короткое транзисторы.

Общие шаги по устранению неполадок:

Отклоненный выход при низком объеме: Проверить смещенную сеть — кроссоверное искажение указывает на недостаточный покойный ток.
Чрезмерный гул или гудение: Вероятно, заземление — убедитесь, что все основания сигнала встречаются в одной звездной точке. Также проверьте значения и расположение конденсатора разъединения.
Колебание: Добавить небольшой конденсатор (например, 22 pF) через резистор обратной связи, чтобы уменьшить усиление на высоких частотах. Убедитесь, что выходная сеть Zobel присутствует и правильно заземлена.
Взрывной транзистор или усилитель: Проверка на наличие короткого разъединяющего конденсатора источника питания, обратных выпадений транзистора или импеданса нагрузки ниже ожидаемого.

Передовые соображения

Класс-А против класса-АБ Предвзятость

Для наивысшей линейности может использоваться выходная стадия класса А, но она требует активного источника постоянного тока (например, транзистора с резистором к отрицательной рельсе) и рассеивает огромное тепло (например, 30 + Вт даже при холостом ходу). Для большинства практических применений смещение класса АВ с небольшим постоянным током (10-100 мА) обеспечивает отличный компромисс между искажением (обычно <0,05% THD) и эффективностью (до 60% при полной мощности).

Термическая компенсация

Мощные транзисторы имеют отрицательный температурный коэффициент для V_be — по мере повышения температуры V_be падает, увеличивая ток коллектора, что дополнительно повышает температуру (термический бег) . Чтобы предотвратить это, монтируйте транзистор смещения (используемый в V_bebe) на том же теплоотводе, что и выходные транзисторы. V_be также уменьшается с температурой, уменьшая напряжение смещения и сохраняя постоянный ток. Кроме того, эмиттерные резисторы (0.1-0.33 Ω) обеспечивают локальную отрицательную обратную связь, которая помогает сбалансировать ток между параллельными транзисторами.

Охранные цепи

Подумайте о добавлении:

Защита от тока: Транзистор, который ощущает напряжение на резисторе излучателя и ограничивает базовый привод выходным транзистором, когда ток превышает безопасный уровень.
Защита от смещения постоянного тока: Сервоцепь постоянного тока (другой усилитель op), которая интегрирует выходное смещение и прикладывает корректирующее напряжение к входу, или реле защиты динамика, которое отключает нагрузку, если обнаружен DC.
Тепловая защита: Тепловой переключатель, установленный на теплоотводе, который отключает источник питания или отключает вход, если теплоотвод превышает 80-90 °C.

Фильтрация входных данных

Чтобы предотвратить попадание радиочастотных помех в аудиоцепь, вставьте на вход простой фильтр низкого пропуска: резистор 1-10 кОм последовательно, за которым следует конденсатор 100-470 pF, чтобы заземлиться. Это создает частоту отсечки около 300 кГц, значительно выше аудио, но достаточно для подавления радио AM и других высокочастотных шумов.

Заключение

Проектирование схемы драйвера усилителя мощности с использованием усилителей op — это полезное упражнение, которое уравновешивает теорию аналогового дизайна с практической аппаратной реализацией. Тщательно выбирая компоненты, реализуя надлежащую обратную связь и смещения, и обращая внимание на компоновку и управление температурой, можно добиться высококачественной аудиопроизводительности, подходящей для колонок на книжных полках, студийных мониторов или систем домашнего кинотеатра. Усилитель op обрабатывает усиление напряжения с низким искажением, в то время как дискретная выходная стадия обеспечивает необходимый ток для нагрузки.

Для дальнейшего изучения в отчете о применении TI «Усилители аудиосигнала Op Amp» приводятся дополнительные примеры схем и конструктивные уравнения. Начните с простого дизайна на доске, затем перейдите на компактную печатную плату для надежного, готового к производству усилителя. При тщательном тестировании и устранении неполадок вы можете создать чистый, мощный аудио драйвер, который конкурирует с коммерческими продуктами за небольшую часть стоимости.