Третье поколение микросхем УМЗЧ класса d от Texas Instruments

Компоненты и технологии, № 5'2005 Компоненты

Третье поколение микросхем УМЗЧ класса D

от Texas Instruments

Усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ) класса D постоянно совершенствуются. Компания Texas Instruments занимается разработкой и производством микросхем для УМЗЧ класса D более 20 лет и выпускает уже третье поколение этих микросхем. Настоящая статья посвящена особенностям и принципам работы микросхем УМЗЧ класса D третьего поколения от Texas Instruments (TI).

Игорь Безверхний

ibb@ua.fm

Если проследить историю развития схемотехники микросхем УМЗЧ класса D, то можно заметить следующую тенденцию. Первые микросхемы для УМЗЧ класса D были, собственно, не усилителями мощности, а драйверами для управления выходным двухтактным УМ. Они содержали ШИМ (широтно-импульсный модулятор) и предоконечные каскады усиления. Современные микросхемы имеют такую структуру только для очень мощных усилителей, но и из этого правила тоже есть исключения. Примером тому может служить микросхема MP7781 [2], которая производится американской фирмой MPS (Monolithic Power Systems). Эта микросхема представляет собой монофонический УМЗЧ класса D с мостовым выходом и выходной мощностью 80 Вт.

После этого мощные биполярные и полевые транзисторы начали встраивать в микросхемы УМЗЧ и широко использовать мостовое включение этих транзисторов. В англоязычной литературе такое включение сокращенно обозначают аббревиатурой BTL (Bridge Tied Load — мостовое подключение нагрузки, то есть громкоговорителя). Использование BTL и некоторых ноу-хау, патентованных компанией Texas Instruments, о которых мы будем говорить ниже, позволило в ряде УМЗЧ класса D отказаться от одной из самых дорогих и громоздких деталей — дросселя выходного фильтра. Точнее — от всего выходного фильтра. Отсутствие фильтра низких частот (ФНЧ) на выходе — не единственное достоинство технологии и схемотехники мостовых УМЗЧ класса D третьего поколения от Texas Instruments. Чтобы разобраться в этих усилителях, рассмотрим вкратце те особенности традиционных УМЗЧ класса D с мостовым выходом, на которые не всегда обращают внимание как производители микросхем, так и разработчики устройств на этих микросхемах.

Особенности традиционных УМЗЧ класса D с мостовым выходом

Основные принципы работы УМЗЧ класса D, а также УМЗЧ класса A, B и AB с мостовым выходом от-

носительно подробно рассмотрены автором ранее [1-2]. Кратко повторим основные моменты. В режиме работы класса Б происходит преобразование входного сигнала в импульсы прямоугольной формы одинаковой амплитуды, длительность которых пропорциональна мгновенной амплитуде сигнала в каждый заданный момент времени (ШИМ — широтно-импульсная модуляция). Активные элементы выходного каскада при этом работают в ключевом режиме и имеют два состояния. Транзистор заперт или открыт до насыщения. Усилители класса Б имеют большой 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 Б имеют КПД более 90% и достаточно большой коэффициент нелинейных искажений (около 10%), но применение новых технологий (ноу-хау производителей) позволяет снизить коэффициент нелинейных искажений до долей процента. УМЗЧ класса Б содержит генератор пилообразного напряжения, частота которого лежит значительно выше звукового диапазона, и широтно-импульсный модулятор (ШИМ). ШИМ преобразует «пилу» от генератора в прямоугольные импульсы, длительность которых зависит от мгновенного значения напряжения НЧ-сигнала (сигнала звука). Эти импульсы управляют двухтактными выходными ключами, которые нагружены на громкоговоритель через ФНЧ. ФНЧ пропускает на громкоговоритель звуковую составляющую выходного сигнала и подавляет импульсные составляющие, имеющие более высокие частоты [1-2].

УМЗЧ с мостовым выходом имеет два одинаковых комплементарных или квазикомплементарных выходных усилителя (канала), которые работают в про-тивофазе. Нагрузка (громкоговоритель) включается между выходами этих каналов [1-2].

Упрощенная схема традиционного УМЗЧ класса Б с мостовым выходом показана на рис. 1.

Этот УМЗЧ состоит из генератора пилообразного напряжения, каскада ШИМ и двух одинаковых

Компоненты и технологии, № 5'2005

инвертирующих усилителей (каналы 1 и 2). На выходах каждого из каналов перед громкоговорителем установлены ФНЧ: L1, C5 и L2, C6. Конденсаторы C1-C4 — разделительные. R1, R2 — делитель напряжения сигнала на входе канала 2.

Рассмотрим работу этого УМЗЧ в режиме покоя, то есть при отсутствии сигнала на входе.

Это именно тот режим, которому уделено мало внимания в различной радиотехнической литературе и технической документации.

Эпюры напряжений в некоторых узловых точках и выходного тока этой схемы в режиме покоя изображены на рис. 2.

Пилообразное напряжение от генератора поступает на ШИМ, где преобразуется в симметричные прямоугольные импульсы, так как на схему в режиме покоя не подан НЧ-сигнал звука. На выходах OUTN (е) и OUTP (г) эти импульсы будут противофазны (см. рис. 2) и будут иметь размах, близкий к напряжению питания (в данном примере 5 В). Между этими выходами размах сигнала увеличится вдвое (от -5 до +5 В). Это приводит к тому, что через ФНЧ и частично через громкоговоритель в режиме покоя будет протекать заметный высокочастотный ток. Он будет иметь пилообразную форму, так как в ФНЧ происходит интегрирование сигнала. Некоторые потери энергии в режиме покоя неизбежны.

Ноу-хау компании Texas Instruments позволяют не только уменьшить эти потери, но и отказаться от самого ФНЧ, установив вместо него шунтирующий нагрузку по ВЧ конденсатор небольшой емкости.

Основные принципы работы УМЗЧ класса D с мостовым выходом без ФНЧ

Упрощенная схема этого УМЗЧ показана на рис. З. Он также содержит два выходных усилителя (канала), НЧ-сигналы на выходах которых имеют одинаковый размах, но противоположные фазы.

В каждом канале имеется свой ШИМ. Причем прямоугольные сигналы в режиме покоя на выходе схемы вовсе не противофазны, как в предыдущей схеме, а синфазны или имеют небольшой фазовый сдвиг (см. рис. 4).

Это достигается с помощью инвертора (рис. З) с коэффициентом усиления по напряжению равным 1 (KU = 1). В результате на громкоговоритель в режиме покоя в худшем случае поступают противофазные симметричные импульсы малой длительности (рис. 4). Для их сглаживания используется небольшая емкость и индуктивность громкоговорителя. Сравнив рис. 4 и рис. 2, легко заметить, что ток нагрузки в режиме покоя заметно ниже в схеме рис. З, чем в схеме рис. 1. В режиме усиления входного НЧ-сигнала звука ШИМы работают в про-тивофазе, то есть если длительность импульсов на выходе одного ШИМ увеличивается, то на выходе другого — уменьшается, и наоборот (рис. 4). Это приводит к асимметрии импульсов, прикладываемых к нагрузке, а значит, к появлению в токе громкоговорителя составляющей, величина которой зависит от разности длительности импульсов ШИМ 1 и ШИМ 2. Эта составляющая меняется по закону входно-

ВА1

+5 В-----------

Разностное напряжение на выходе моста, 0 В между точками

©И©

Ток нагрузки

Рис. 2. Эпюры напряжений и выходного тока традиционного УМЗЧ класса D с мостовым выходом в режиме покоя

Вход^ @

© OUTN

OUTP

Рис. 3. Упрощенная схема УМЗЧ класса 0 с мостовым выходом без ФНЧ

© оитр

0OUTN

Разностное напряжение на выходе моста, между точками

©И

-5 В

t 1 1 П

г -1 и -L—д

Выходной НЧ-сигнал отсутствует

Ток нагрузки (ток через —

громкоговоритель)

Vі

© оитр ©оиты

Разностное +5 ц___________

напряжение на выходе моста, 0 В — между точками

©и

Ток нагрузки

Рис. 4. Эпюры напряжений и выходного тока УМЗЧ класса Э с мостовым выходом без фильтра в режиме покоя

Компоненты и технологии, № 5'2GG5

Таблица 1. Параметры микросхем УМЗЧ класса D фирмы Texas Instruments

п с OI Z Тип микросхемы Выходная мощность (Вт) Стерео-Моно для громкоговорителей Усилитель (Стерео-Моно) для головных телефонов Минимальное сопротивление нагрузки (громкоговорит.) (Ом) Напряжение питания (максимальное) Напряжение питания (минимальное) Суммарное значение коэфф. нелинейных искажений ТИО + N для 1 кГц и 1/2 напряж. питан. (%) Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания PSRR (дБ) Ток потребления без нагрузки для каждого из каналов, !я (мА) Ток потребления в режиме завершения (Shutdown) ISD (мкА) Цифровое управление Подавление щелчков при включении и выключении Дифференциальные входы Внутренняя регулировка усиления Режим приглушения (Mute) Режим завершения (Shutdown), низкий уровень активный Количество выводов, корпус Назначение

1 TPA032D01 10 Mono нет 4 8 14 0,5 40 35 20 Есть Есть Есть 48HTSSOP Монофонический УМЗЧ класса D

2 TPA032D02 10 Стерео нет 4 8 14 0,5 40 12,5 20 Есть Есть Есть 48HTSSOP Стереофонический УМЗЧ класса D

3 TPA032D03 10 Mono Стерео 4 8 14 0,5 40 12,5 20 Есть Есть Есть 48HTSSOP Стереофонический УМЗЧ класса D с усил. стереотелефонов

4 TPA032D04 10 Стерео Стерео 4 8 14 0,5 40 12,5 20 Есть Есть Есть 48HTSSOP Стереофонический УМЗЧ класса D с усил. стереотелефонов

б TPA2000D1 2 Mono нет 4 2,/ 5,5 0,08 // 4 0,05 Есть Есть Есть Есть Есть 16TSSOP, 48VFBGA Монофонический УМЗЧ класса D без ФНЧ

б TPA2000D2 2 Стерео нет 3 4,5 5,5 0,05 // 4 1 Есть Есть Есть Есть Есть 24HTSSOP, 24TSSOP Стереофонический УМЗЧ класса D без ФНЧ

/ TPA2000D4 2 Стерео Стерео 4 3,/ 5,5 0,1 /0 4,5 0,05 Есть Есть Есть Есть Есть 32HTSSOP Стереофонический УМЗЧ класса D с усилителем для стереотелефонов класса AB

8 TPA2001D1 1 Mono нет 8 2,/ 5,5 0,2 /2 4 0,05 Есть Есть Есть Есть Есть 16TSSOP Монофонический УМЗЧ класса D без ФНЧ

9 TPA2001D2 1 Стерео нет 8 4,5 5,5 0,08 // 4 1 Есть Есть Есть Есть Есть 24HTSSOP Стереофонический УМЗЧ класса D без ФНЧ

10 TPA2005D1 1,1 Mono нет 8 2,5 5,5 0,2 /б 2,8 0,5 Есть Есть Есть 15BGA MiCROSTAR JUNIOR, 15VFBGA, 8MSOP-PowerPAD, 8SON Монофонический УМЗЧ класса D без ФНЧ с дифференциальным входом

11 TPA2008D2 3 Стерео нет 3 4,5 5,5 0,05 /0 / 0,05 Есть Есть Есть 24HTSSOP Stereo, High Power, 5-V, Filter-Free Class-D Audio Amplifier with Volume Control

12 TPA2010D1 2,5 Mono нет 4 2,5 5,5 0,2 /б 2,8 0,5 Есть Есть Есть 9DSBGA, 9XCEPT Mono, Fully Differential, Filter-Free Class-D Audio Amplifier in WCSP

13 TPA2012D2 2,1 Стерео нет 4 2,5 5,5 0,1 /1 3 1,5 Есть Есть Есть 20QFN Стереофонический УМЗЧ класса D без ФНЧ с регулировкой громкости

14 TPA3001D1 20 Mono нет 4 8 18 0,0б /3 8 1 Есть Есть Есть Есть 24HTSSOP Монофонический УМЗЧ класса D без ФНЧ

1б TPA3002D2 9 Стерео нет 8 8,5 14 0,0б 80 8 1 Есть Есть Есть 48HTQFP Стереофонический УМЗЧ класса D без ФНЧ

1б TPA3003D2 3 Стерео нет 8 8,5 14 0,2 80 8 1 Есть Есть 48TQFP Маломощный стереофонический УМЗЧ класса D без ФНЧ Stereo, Low Power, Wide Supply Voltage, Filter-Free Class-D Audio Amplifier

1/ TPA3004D2 12 Стерео нет 4 8,5 18 0,1 80 8 1 Есть Есть 48HTQFP Стереофонический УМЗЧ класса D без ФНЧ с регулировкой громкости

18 TPA3005D2 б Стерео нет 8 8,5 18 0,1 80 11 1,б Есть Есть Есть Есть Есть 48HTQFP Стереофонический УМЗЧ класса D без ФНЧ

19 TPA3008D2 70" Стерео нет 8 8,5 18 0,1 80 11 1,б Есть Есть Есть 48HTQFP Стереофонический УМЗЧ класса D

Є~

го НЧ-сигнала звука и будет преобразовываться громкоговорителем в акустические колеба-

Обзор микросхем УМЗЧ класса D фирмы Texas Instruments

Корпорация Texas Instruments производит множество микросхем для УМЗЧ класса D. До сих пор в изделиях и в продаже можно встретить микросхемы первого поколения, такие как TL1451, TL1453 и другие, которые были разработаны еще в начале 80-х годов. Но на много интереснее более поздние микросхемы УМЗЧ класса D. В одном из последних релизов представлено 19 таких микросхем. Их основные параметры и характеристики приведены в таблице 1.

Рассмотрим подробнее две микросхемы УМЗЧ класса D из этой таблицы, одна из которых — монофонический усилитель, а другая — стереофонический.

Микросхема TPA2000D1 фирмы Texas Instruments

Микросхема TPA2000D1 фирмы Texas Instruments представляет собой монофонический УМЗЧ класса D с мостовым выходом без ФНЧ и плавным (без щелчка) включением и выключением. Микросхема способна развивать мощность 2 Вт на нагрузке сопротивлением 4 Ом и нелинейных искажениях менее 1%. Диапазон рабочих температур составляет -40... + 85 °C. Коэффициент усиления микросхемы можно устанавливать равным 6 дБ (2 раза), 12 дБ (4 раза), 18 дБ (8 раз) и 23,5 дБ (15 раз), задавая логические уровни на входах установки усиления GAIN0 и GAIN1. Она питается от одиночного источника питания +2,7...+5,5 В. Микросхема УМЗЧ TPA2000D1 изготавливается в одном из двух корпусов для поверхностного монтажа: TSSOP с 16 выводами (TPA2000D1PW) или MicroStar Junior BGA с 48 выводами (TPA2000D1GQC). Эти корпу-

са в фирменной документации называют и обозначают по-разному. Так, первый из них может обозначаться как 16Т880Р, PW или К-Р080^16, а второй — 48VFBGA, GQC или S-PBGA-N48.

Корпус 16TSS0P достаточно распространен. Поэтому его внешний вид и расположение выводов мы не приводим. Его размеры 5 x4,5мм (без выводов). Он имеет двустороннее расположение выводов с шагом 0,65 мм. Корпус 48VFBGA (рис. 5) встречается заметно реже. Он имеет 48 выводов каплеобразной формы, которые расположены снизу корпуса в виде матрицы 7x7 с шагом 0,5 мм. Вывод С3 отсутствует. Размер корпуса 4x4 мм.

Функциональная схема ТРА2000Б1 показана на рис. 6, а назначение выводов микросхемы сведено в таблицу 2. В таблице 3 показана зависимость коэффициента усиления и входного сопротивления микросхемы ТРА2000Б1 от логических уровней на входах GAIN0 и GAIN1.

Компоненты и технологии, № 5'2005

С^Вид сверху^)

4---------3,00 ТУР

0,50

£.

G О О о с ооо-

F О о о с о о о

E О о о с ООО

D - -о + -о-о-о—

С О о J) о о о

В О о о с 5 0 0 0

A О о ° 1 ооо-

12 3 4

0,77

0,71

1,00 MAX

і

1

с с 1 IF

0,35 0,25 I 0 0,05 (1

T

0,25

0,15

Примечание: все линейные размеры приведены в миллиметрах

Рис. 5.Размеры и расположение выводов корпуса 48VFBGA

Таблица 2. Назначение выводов микросхемы TPA2000D1 фирмы Texas Instruments в разных корпусах

Выводы TPA2000D1 Обо- значе- Назначение

PW GQC ние

l A2 INP Неинвертирующий вход

2 Al INN Инвертирующий вход

3 Bl SHUT- DOWN Вход плавного выключения

4 Cl GAINO Вход Bit O установки усиления

5 Dl GAINl Вход Bit l установки усиления

б, ll El, E7, Fl, F7 PVDD Напряжение питания выходного каскада

/ Gl OUTP Прямой выход моста

в, 9 D5, D6 E2-E6 F2-F6 G2-G6 PGND Корпус выходного каскада

lO G7 OUTN Инверсный выход моста

l2 D7 VDD Напряжение питания аналоговой части

l3 C7 ROSC Резистор времязадающей цепи внутреннего генератора

l4 B7 COSC Конденсатор времязадающей цепи внутреннего генератора

l5 A3-A5 B2-B6 C2-C6 D2-D4 AGND Корпус

A6 BYPASS Вывод подключения внешнего развязывающего конденсатора

Таблица 3. Зависимость коэффициента усиления и входного сопротивления микросхемы TPA2000D1 от логических уровней на входах GAIN0 и GAIN1

Выводы GAIN1 GAIN0 Коэффициент усиления, дБ Входное сопротивление, кОм

O O б lO4

O l l2 /4

l O lB 44

l l 23,5 24

Из рис. 6 и таблицы 2 видно, что в микросхема TPA2000D1 имеет дифференциальный вход, мостовой выход и вход SHUTDOWN. При подаче низкого потенциала на вход SHUTDOWN выходные каскады обоих каналов плавно запираются, и потребление микросхемы значительно снижается. При высоком уровне управляющего напряжения на этом выводе схема запуска и защиты (Start-Up Protection Logic) поддерживает микросхему во включенном со-стояниии отключает ее только при перегрузке.

Типовая схема включения микросхемы TPA2000D1 показана на рис. 7.

Конденсаторы C4, C5, C6, C8 блокируют источник питания по переменной составляющей тока микросхемы. Конденсаторы C2, C3 — разделительные, а C7 блокирует неинвертирующие входы обоих каналов усиления напряжения, создавая заземленную среднюю точку. R1, C1 — времязадающая цепь генератора пилообразного напряжения (Ramp Generator). Для обеспечения устойчивой работы ШИМ и всей схемы частота этого генератора долж-

на быть в пределах 200-300 кГц. Эту частоту можно посчитать по формуле: fs = 6,6/R1xC1.

Указанные на схеме рис. 7 номиналы R1 и C1 обеспечивают рабочую частоту 250 кГц. Резистор времязадающей цепи должен иметь допуск не более 10%, а конденсатор — 5%.

Особенности микросхемы УМЗЧ TPA2012D2 фирмы Texas Instruments

Микросхема TPA2012D2 фирмы Texas Instruments представляет собой стереофонический УМЗЧ класса D с мостовым выходом без ФНЧ и плавным (без щелчка) включением и выключением. Она имеет дифференциальные входы и раздельные входы плавного выключения (SHUTDOWN) для каждого из стереоканалов, а также общий генератор пилообразного напряжения без внешних вре-мязадающих цепей. Условно можно говорить, что УМЗЧ TPA2012D2 — это два усовершенствованных УМЗЧ TPA2000D1 в одном корпусе. Это видно из функциональной схемы микросхемы TPA2012D2 (рис. 8).

Напряжение питания микросхемы 2,5-5,5 В. При напряжении питания 5 В на нагрузке 4 Ом она обеспечивает выходную мощность до 2,1 Вт, а на нагрузке 8 Ом — 1,4 Вт в каждом канале. При питании от источника 3,6 В и нагрузке 8 Ом — 720 мВт в каждом канале.

Микросхема изготавливается в корпусе QFN размером 4x4 мм, который имеет 20 вы-

Audio lnput± >—

Audio lnput+ >— To System

C2

C3

1MF

1MF

Controller " Gain Select Gain Select >—

Vdd ^>—

C8 _L C4 _

10 mF '

INP BYPASS

INN AGND

SHUTDOWN

COSC

GAINO ROSC

GAINl Vdd

PVDD PVdd

OUTP OUTN PGND

PGND

C7

15 II 1MF

14 Cl II 1

13 II 220 pF R1

12 120 kQ

9 —L C5

lyF

T

C6_ 1MF -Q

Vdc

~< Vdd "<OUT±

-<out+

Рис. 7. Типовое включение микросхемы TPA2OOODl

Компоненты и технологии, № 5'2005

Right Input

Left Input

to Battery

Рис. S. Функциональная схема микросхемы TPA2Ol2D2 фирмы Texas instruments

Gain

G1 GO V/V dB

0 0 2 6

0 1 4 12

1 0 8 18

1 1 16 24

Таблица 4. Назначение выводов микросхемы TPA2012D2 фирмы Texas Instruments в разных корпусах

Выводы TPA2012D2 Обо- значе- Назначение

QFN WCSP ние

16 Dl INR+ Неинвертирующий вход правого канала

17 Cl INR— Инвертирующий вход правого канала

20 Al INL+ Неинвертирующий вход левого канала

19 Bl INL- Инвертирующий вход левого канала

8 B3 SDR Вход плавного выключения правого канала

7 B4 SDL Вход плавного выключения левого канала

15 C2 GO Вход Bit 0 установки усиления

1 B2 Gl Вход Bit 1 установки усиления

3, 13 A2 PVDD Напряжение питания выходного каскада

9 D2 AVDD Напряжение питания аналоговой части

4, 12 C4 PGND Корпус выходного каскада

18 C3 AGND Корпус

14 D3 OUTR+ Прямой выход правого канала

11 D4 OUTR- Инверсный выход правого канала

2 A3 OUTL+ Прямой выход левого канала

5 A4 OUTL- Инверсный выход левого канала

6, 10 N/A NC Свободный

Thermal Pad Для QFN подсоединен на корпус

То Battery

Рис. 9. Типовое включение микросхемы TPA2012D2

водов (рис. 10). Кроме того, планируется разными выводами. Назначение выводов ми-

«упаковка» микросхем в корпус WCSP еще кросхемы ТРА2012Б2 в обоих корпусах све-

меньших размеров (2x2 мм), с 16 каплеоб- дено в таблицу 4.

Thermal Pad

Н bib) His /

Щ) * аг

Ж) сж

х> сж

33 1 1 сж

JD 1 сж

ЯЯЯЙЙ

Рис. 10. Расположение выводов корпуса 20QFN

Литература

1. Безверхний И. Микросхемы УМЗЧ для переносных компьютеров и игрушек // Компоненты и технологии. 2005. № 1.

2. Безверхний И. Современные микросхемы для УМЗЧ класса D фирмы MPS // Современная электроника. 2004. № 1.

3. www.ti.com.

4. 2 W filterless mono class-D audio power amplifier. Texas Instruments.

5. 2.1 W/ch stereo filter-free class-D audio power amplifier. Texas Instruments.