Foxiss Миниатюрный усилитель класса D, можно ли на площади размером с подушечку большого пальца разместить полноценный усилитель мощности? Лет 70 назад на этот вопрос ответили бы недоверчивым взглядом. А в XXI веке у нас есть технология, позволяющая создать такой полноценный модуль.
Полноценный модуль аудиоусилителя на односторонней печатной плате размером 20 мм × 20 мм, без какого-либо дополнительного охлаждения? Это не шутка, а факт можно даже перефразировать.
Благодаря этому маленькому и лёгкому модулю можно без проблем «озвучить» такие вещи, как бытовая техника, игрушки или домофоны. Он почти не выделяет тепла, поэтому особо заботиться об охлаждении не нужно.
А главное — «на борту» у него есть все необходимые элементы, не нужно добавлять никаких фильтров или электролитических конденсаторов.
Конструкция миниатюрный усилитель класса D
Принципиальная схема рассматриваемого устройства приведена на рисунке ниже.
Главный компонент — микросхема TPA2005, представляющая собой готовый модуль усилителя класса D. На рисунке 2 показана её упрощённая структурная схема.
Внутри неё есть всё, что нужно импульсному усилителю: предварительный усилитель, генератор ШИМ, выходной мост H, а также защита от короткого замыкания и перегрева. Внешние элементы служат для установки коэффициента усиления и развязки по питанию.
Резисторы R1 и R2 устанавливают коэффициент усиления по напряжению на уровне 1 В/В. У микросхемы дифференциальный вход, поэтому на один вход подаётся сигнал, а второй «сигнально» замкнут на землю.
Отсюда расчётное усиление составляет 2 В/В, но управляется только один вход, поэтому устройство «видит» входной сигнал с вдвое меньшей амплитудой. Конденсаторы C1 и C2 отсекают постоянную составляющую.
Можно увеличить усиление, уменьшив сопротивление R1 и R2, например, до 15 кОм — тогда усиление вырастет до 10 В/В. Правда, рекомендую при этом увеличить ёмкость C1 и C2 до 1 мкФ, чтобы сохранить полосу пропускания снизу.
Вход SHUTDOWN, которым оснащена данная микросхема, в этом проекте не используется, поэтому он подтянут к положительной шине питания. Для развязки использованы два конденсатора: керамический 1 мкФ и танталовый 47 мкФ.
Использовать конденсаторы большей ёмкости не имеет смысла, поскольку частота коммутации составляет 250 кГц, а именно переключающиеся выходные транзисторы являются основным источником пульсаций на линии питания.
Производитель рекламирует эту микросхему как «filter-free» (без фильтров), что означает отсутствие необходимости применять LC-фильтры на выходе, которые должны были бы подавлять высокочастотный сигнал и его гармоники, возникающие непосредственно из-за коммутации.
Однако в техническом описании можно найти примечание, что выходной фильтр всё же стоит применить, если провода, соединяющие микросхему с динамиком, короткие — менее 100 мм, устройство прошло испытания на электромагнитную совместимость.
Поэтому были добавлены на плату простые фильтры, допустимые производителем, состоящий из ферритовых бусинок и керамических конденсаторов ёмкостью 1 нФ. Такая мера поможет ограничить излучаемые устройством помехи, а стоимость такого решения поистине символическая.
Монтаж и запуск
Устройство собрано на односторонней печатной плате размером 20 мм × 20 мм. Рисунок дорожек и монтажная схема приведены на рисунке ниже.
Все SMD-элементы монтируются с нижней стороны, а с верхней выступают только штыревые разъёмы, использованные в прототипе. Ничто не мешает отказаться от разъёмов J1 и J2, припаяв провода непосредственно к плате — это ещё больше уменьшит высоту модуля.
Правильно собранное устройство готово к работе сразу после подключения динамика (к выводам SPK+ и SPK–, продублированным для удобства), входного сигнала (к клеммам INPUT и GND) и питания (к клеммам GND и VCC).
Микросхема TPA2005 лучше всего работает с нагрузкой в виде динамика с номинальным сопротивлением 8 Ом, но при пониженном напряжении питания (до 4,2 В) может работать и с динамиками на 4 Ом.
Подключение излучателей с более высоким сопротивлением, например 16 Ом или 32 Ом, для неё не проблема — нужно лишь учитывать более низкую выходную мощность из-за ограниченного напряжения питания (до 5,5 В). Потребляемый ток зависит от текущей отдаваемой мощности — подробности на рисунке.
