Tpa 3116 описание. Стильный усилитель мощности на TPA3116D2 (класс D) с FM радио

Оказалось, что всё не так просто, большая часть обзоров была про устройства, предназначенные для установки в авто, и, что самое печальное, с негативными отзывами, но вроде как обнаружилось какое-то количество комментариев, упоминающих неплохой усилитель TPA3116, так что я начал искать что-то на его основе.

Итак герой сегодняшнего обзора:


Двухканальный усилитель Breeze Audio на чипе TPA3116.
Корпус: фрезерованный алюминий, 90мм ширина, 35мм высота, 120мм глубина.
Управление: тумблер питания и регулятор громкости
Разъемы: вход через 2 тюльпана, выход через контактные бочонки с винтовым креплением.
Питание: 12-24В, разъем 5.4мм

Итак что из всего этого получилось.


Ну, во-первых, корпус. Выглядит довольно неплохо. Выполнен из фрезерованного алюминия, ровно отшлифован и имеет приятный матовый рисунок. Надписи нанесены аккуратно и, главное довольно скромные, без китайского выпендрежа. По сравнению с родным усилителем моих колонок эта коробочка просто миниатюрная, и с непривычки немножко не верится, что она на что-то способна. Спереди на корпусе расположен строгий металлический тумблер включения, небольшой (и, главное, не очень яркий) светодиод, сигнализирующей о работе, и потенциометр регулировки громкости с металлической же ручкой. Передняя и задние панели прикручены к корпусу при помощи утопленных заподлицо винтов с головкой под шестигранник: строго и аккуратно.

Блок питания в комплект не входит, продавец предлагает за $8 положить какой-то блок на 12В уж не знаю какой мощности. Я от этого щедрого предложения отказался, благо нашел в ящике старый адаптер от Thinkpad"а еще производства IBM.

Что касается подключения звука, то вход выполнен классическими тюльпанами, а вот на контактах выхода, конечно, несколько сэкономили. Не спец в типах коннекторов, но они представляют собой винты, просверленные сбоку под углом 90 градусов, в которые вставляются провода от колонок и сверху прижимаются гайками-барашками. По идее пружинные клеммы занимают не сильно больше места, стоят не намного дороже, а пользоваться ими гораздо удобнее: и провод проще вставить, даже не облуженный, и закоротить два контакта случайно торчащим «хвостиком» сложнее. (Ниже в комментариях объяснили, что надо не гайками прижимать провод, а купить коннекторы «банан» и подключать через них. Типа это Хай-Фай и гораздо лучше клемм. =)

Раскрыл корпус, посмотреть что там внутри. Выглядит достаточно аккуратно, пайка нормальная, хотя флюс и не отмыт. А вот снимать радиатор, чтобы посмотреть маркировку чипа я уже не стал, можете кидать в меня помидорами, было лень. Так что поверим китайцу, что там стоит красивый TPA3116D2.

Ну и, наконец, самое важное, что там у него со звуком? Вот тут всё сложнее всего. Мне очень даже нравится. Звучит гораздо лучше, чем родной микролабовский усилитель (по крайней мере то, как я его помню). Басы насыщенные, мне хватает, средние частоты хорошо выражены. Сцена достаточно разборчивая, глубина есть. Для того, чтобы слушать на средней громкости в небольшой комнате всего хватает. Но тут надо понимать, что я не аудиофил, тонкостей золотых проводов не понимаю, а качество звука тестирую на воспроизведении mp3 =)

Главное, что надо отметить: эта коробка не шумит на паузе, не хрипит на насыщенных композициях, ровно по каналам и без треска регулирует громкость. А то, что из нее не торчат лампы, что она не греется как утюг А-класса, так и леший с ней, своё она отрабатывает и ладно.

На этом я этот небольшой обзор пожалуй и закончу, всем спасибо за внимание.

Конструкция этого усилителя звука D-класса была создана для эксперимента (давно хотелось послушать и оценить новый класс Д), кроме того, как раз потребовался новый аудио-усилитель взамен старого к компьютеру. Было решено купить 2 готовых модуля мостового усилителя в классе D которые называются TPA3118 (как и микросхема, что в них установлена). Стоят они по 150 рублей каждый и теоретически выдают мощность 60 Вт моно. Если есть желание, можете собирать подобный УМЗЧ с нуля на отдельных радиодеталях — .

Технические характеристики

• Микросхема TPA3116
• Рабочее напряжение: 8 - 24 В
• Рабочий ток: до 7.5 A
• Ток в режиме ожидания: 40 мA
• Уровень входного сигнала: 0.3 - 6.3 В
• Выходная мощность: (12В 4Ом 25 Вт + 25 Вт) и (21В 4 Ом 50 Вт + 50 Вт)
• Рабочая частота: 20 Гц — 20 кГц
• Защита по току и от перегрева
• Размеры платы: 100х60х25 мм

Схема усилителя TPA3116 класса D

При однополярном питании 12 В - выходная мощность около 10 Вт, при 24 В - около 30 Вт (на 8 Ом АС).

Судя по графикам искажения — сильно его раскачивать не стоит, до 20 Вт и всё. Дальше Кни резко лезет вверх.

Несмотря на скромные размеры платы и непривычное глазу аудиосборщика отсутствие радиаторов — этот малыш играет очень громко. Сама сборка заняла пару часов — делать ведь особо ничего не нужно, только провода от разъёмов и блока питания припаять. Но постарайтесь все сделать максимально качественно, чтобы не пришлось потом разбирать и переделывать. Эти модули УМЗЧ питаются чаще всего импульсными блоками питания, которые свистят и шумят по цепи. Поэтому установите фильтры дополнительной емкости, которые устранят эти эффекты.

Обратите внимание на дополнительный транзистор TIP-142 фильтра питания. Предполагалось что он будет немного греться, так что транзистор прикручен к корпусу. В реальности он холодный. Дополнительным преимуществом является то, что через этот фильтр напряжение растет постепенно, после включения за короткое время.

В общем по питанию перед модулями поставили ещё по одному конденсатору 50В/6800мкФ на канал. Платы TPA3116 установлены вертикально с помощью втулок. Если хотите, чтобы конечный результат оставил хорошее впечатление, найдите для регулятора громкости хорошую ручку и хорошие разъемы аудио. Питание внешнее, тоже поступает через гнездо.

Итоги работы и результаты

Комплект усилителя на столе возле компьютера выглядит очень стильно и удобен тем, что к нему можно подключить разные акустические системы — он спокойно качает даже 100-ваттные АС (конечно не на полную). Подаётся напряжение от блока питания ноутбука 19 В и в динамиках полная тишина.

Традиционные аудиоусилители классов А, В и АВ для мобильных устройств с автономным питанием уже давно перестали устраивать разработчиков из-за их низкого КПД и, как следствие, высокого расхода энергии батареи или аккумулятора. Усилители класса D имеют гораздо более высокий КПД, поэтому именно они наилучшим образом удовлетворяют предъявленным требованиям к современной портативной технике. Эти усилители применяются и в стационарной технике (телевизоры, персональные компьютеры, домашние или автомобильные стереосистемы и даже мощная усилительная техника для театров и концертных залов) благодаря уменьшению габаритов, веса и цены при сопоставимых параметрах качества с приборами предыдущих поколений классов А, В и АВ. Достижения полупроводниковой технологии последних лет позволили компании Texas Instruments разработать микросхемы для создания высококачественных усилителей звуковой частоты класса D с максимальной выходной мощностью от единиц до нескольких сотен Вт.

Рассеиваемая мощность усилителя, работающего в классе D, существенно меньше, чем у аналогичных приборов класса АВ, работающих в тех же режимах. Это проиллюстрировано на рис. 1 (в качестве примера взята микросхема Texas Instruments TPA2012D2, предназначенная для усилителей портативной техники).

Рис. 1.

Из рисунка 1 хорошо видно, что при одинаковой выходной мощности усилитель класса D имеет потери мощности в несколько раз меньшие по сравнению с аналогичными усилителями класса АВ во всем диапазоне выходных мощностей. Наибольший выигрыш получается при средней выходной мощности. Именно в этом режиме чаще всего и используется аппаратура для воспроизведения звука. Отмеченные свойства дополняет рис. 2, иллюстрирующий зависимости КПД от выходной мощности этих же усилителей при режимах измерения, аналогичных рис. 1. При малой и средней мощностях КПД усилителя класса D в два-три раза выше, чем у усилителя класса АВ.

Рис. 2.

Сравнение эффективности и рассеиваемой мощности для усилителей с очень низкой выходной мощностью может оказаться не в пользу усилителей класса D из-за относительно высокой мощности высокочастотного модулятора, преобразующего аналоговый сигнал в прямоугольные импульсы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). По этой причине линейные усилители класса АВ при очень низких выходных мощностях иногда оказываются предпочтительнее класса D. Принцип работы простейшего усилителя класса D без обратной связи поясняет рисунок 3.

Рис. 3.

Входной сигнал предварительного усилителя модулируется треугольными колебаниями для преобразования в широтно-модулированные импульсы, которые усиливаются выходным каскадом, работающим в ключевом режиме. Далее LC-фильтр низких частот интегрирует импульсы разной длительности и срезает высокочастотные составляющие спектра, оставляя только выделенный сигнал звуковой частоты. Осциллограммы процесса ШИМ для усилителя класса D, выполненного по мостовой схеме, приведены на рис. 4. Модуляция в усилителях класса D может осуществляться разными способами, но наиболее распространена именно ШИМ.

Рис. 4.

Звуковой сигнал сравнивается с сигналом пилообразной или треугольной формы фиксированной частоты. Первый усилитель на рисунке 3 необходим для предварительного усиления и смещения сигнала до нужного уровня. Второй усилитель и генератор треугольного напряжения образуют модулятор ШИМ. На рисунке 4 длительность широтно-модулированных импульсов пропорциональна уровню входного аналогового сигнала. Мостовой схеме необходимы импульсы ШИМ противоположной полярности для управления другим плечом моста. На рисунках 3 и 4 показаны упрощенные варианты схем. В реальных схемах усилителей класса D обязательно вводятся формирователи времени паузы между импульсами для исключения одновременного включения двух выходных транзисторов и устранения сквозных токов. Частота модуляции и среза низкочастотного фильтра обычно выбирается в несколько раз больше верхней граничной частоты пропускания усилителя. К выбору элементов LC-фильтра необходимо относиться очень внимательно. Этому вопросу уделяется особое внимание в документации производителя и руководствах по применению.

Texas Instruments выпускает микросхемы для создания усилителей класса D низкой, средней и высокой мощности. Параметры для усилителей класса D низкой мощности приведены на рис. 5 и в табл. 1.

Рис. 5.

Таблица 1. Микросхемы Texas Instruments для усилителей класса D c низкой и средней выходной мощностью (аналоговый вход)

В первую очередь эти микросхемы предназначены для встраивания в мобильные устройства. Подавляющее большинство таких усилителей расчитано на напряжение питания от 2,5 до 5,5 В, но микросхема одноканального усилителя TPA2013D1 имеет расширенный диапазон напряжений питания от 1,8 до 5,5 В благодаря встроенному повышающему DC/DC-преобразователю (Boosted DC/DC ). Это позволило обеспечить постоянство выходной мощности при всем диапазоне рабочих напряжений питания по сравнению с обычными усилителями класса D, что наглядно проиллюстрировано на рис. 6.

Рис. 6.

При выходной мощности около 1,5 Вт в диапазоне напряжений питания от 2,3 до 4,8 В характеристика находится в пределах ±0,1 Вт. Большинство обычных усилителей этого класса имеют практически линейную зависимость максимальной выходной мощности от напряжения питания. Преимущество усилителей со встроенным повышающим DC/DC-преобразователем - возможность работы при гораздо более низком напряжении питания батареи (или при ее более глубоком разряде), что повышает степень использования автономного источника питания.

Структурная схема микросхем TPA2013D1 и TPA2014D1 со встроенным повышающим DC/DC-конвертером показана на рис. 7.

Рис. 7.

В микросхемах предусмотрена защита от нежелательных переключений при коммутации повышающего DC/DC-преобразователя. Встроенный стабилизатор обеспечивает стабильность характеристик в широком диапазоне напряжений питания. При необходимости выход повышающего DC/DC-преобразователя можно использовать для питания маломощных дополнительных схем портативного устройства. Если внимательно посмотреть на параметр PSSR (коэффициент подавления помех по цепям питания) в табл. 1, то бросается в глаза, что именно усилители со встроенными повышающими DC/DC имеют существенно лучшие значения этого параметра (91…95 дБ) по сравнению с остальными усилителями этого класса.

Среди усилителей с низкой и средней выходной мощностью есть и специализированный для работы на пьезокерамический излучатель с допустимой емкостью до 1,5 мкФ. При этом размах выходного напряжения на емкостной нагрузке достигает 19 В (от пика до пика) при минимально допустимом напряжении питания всего 2,5 В. Необходимо обратить внимание, что параметр (THD + N), характеризующий суммарные гармонические искажения вместе с шумовыми составляющими, измеряется на частоте 1 кГц при половине мощности от допустимого максимального значения.

На рис. 8 приведен навигатор для выбора микросхем усилителей класса D высокой мощности (отсчет высокой мощности для этого класса усилителей Texas Instruments начинает с 3 Вт).

Рис. 8.

Основные параметры этих микросхем сведены в табл. 2. Некоторые из микросхем, приведенных на рис. 8 и в табл. 2, относятся только к анонсированной продукции, поэтому возможность поставки образцов необходимо проверять на сайте производителя.

Таблица 2. Микросхемы Texas Instruments для усилителей класса D c высокой выходной мощностью (аналоговый вход)

На основе микросхем Texas Instruments можно спроектировать усилитель класса D с выходной мощностью до 300 Вт при максимальном напряжении питания до 50 В.

Большой интерес для разработчиков могут представлять новые двухканальные микросхемы для усилителей этого класса TPA3122D2 и TPA3125D2 в корпусе DIP20.

Рис. 9.

Рис. 10.

Этот корпус удобен для монтажа и макетирования по сравнению с миниатюрными корпусами BGA с шариковыми выводами. Схема включения этих стереоусилителей отличается простотой и приведена на рис. 11. Синим цветом выделены параметры, соответствующие TPA3125D2 (мощность до 10 Вт), красным цветом - TPA3122D2 (мощность до 15 Вт).

Рис. 11.

Микросхемы имеют два входа регулировки усиления (четыре уровня), а также возможность отключения (Shutdown) и приглушения звука (Mute). На рис. 11 показан самый распространенный вариант включения двухканального усилителя в режиме SE (Single Ended Output - нагрузка подключается к каждому каналу - режим «стерео»). Для существенного увеличения выходной мощности рассматриваемых микросхем можно из двух каналов одной микросхемы создать одноканальный мостовой усилитель (схема BTL - Bridge Tied Load - подключение нагрузки к мостовой схеме). Принципиальные схемы включения микросхем TPA3125D и TPA3122D для мостового варианта усилителя класса D приведены в документации производителя для этих усилителей. На рис. 9 и 10 показаны зависимости выходной мощности от напряжения питания при одинаковых условиях измерения для схем в режиме «стерео» (SE) и для варианта мостового включения (схема BTL).

Измерение максимальной выходной мощности оценивается при конкретном значении суммы всех гармонических искажений и шумовых составляющих (THD + N). При переходе к мостовой схеме включения на одинаковых напряжениях питания, сопротивлении нагрузки и суммарных искажениях сигнала, выходная мощность возрастает в несколько раз. Поэтому в мощных усилителях обычно используют именно мостовую схему включения. Всего одна микросхема в корпусе DIP20 при таком подключении позволяет создать усилитель с максимальной выходной мощностью около 50 Вт при напряжении питания 30 В.

Шумы и нелинейные искажения

Основная информация о звуковом сигнале кодируется шириной импульсов на выходе модулятора. Необходимость введения задержки на величину паузы становится причиной нелинейных искажений, пропорциональных отклонению от точной длительности импульса модуляции. Сильное влияние на шумы оказывает коэффициент ослабления помех от источника питания PSSR. Из-за малого сопротивления шумы источника питания могут напрямую передаваться в громкоговоритель. ФНЧ срезает высокочастотные составляющие, но пропускает низкочастотные шумы. Для качественного звучания следует выбирать микросхемы с высоким значением коэффициента ослабления помех от источника питания. Эффективное решение перечисленных проблем - введение глубокой обратной связи, как это делается во многих линейных усилителях. Обратная связь с входа ФНЧ сильно повышает PSSR и ослабляет суммарные искажения и шумы, появляющиеся до LC-фильтра. Искажения в самом фильтре можно уменьшить включением громкоговорителя в цепь ОС. В грамотно спроектированных усилителях класса D с замкнутой ОС реально достижим суммарный коэффициент нелинейных искажений менее 0,01%.

Основные выводы

Все больше новых аудиоустройств создается на основе экономичных и эффективных усилителей класса D. Многолетний опыт и новые технологии компании Texas Instruments позволяют ей уверенно чувствовать себя на этом рынке с высокой конкуренцией. Усилители класса D позволяют, повышая эффективность, в несколько раз снизить габариты за счет исключения или значительного уменьшения размеров радиаторов в мощных схемах. Требуется менее мощный источник питания, что дополнительно снижает цену усилительного прибора. Для многих рассмотренных в статье микросхем Texas Instruments выпускает демонстрационные платы. Ознакомиться с решениями для построения аудиосистем можно на сайте производителя в разделе www.ti.com/audio , а по системам управления питанием - в разделе www.power.ti.com .

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: