Цифровые усилители сигналов
Статьи публикуются по мере поступления. Для упорядоченного тематического
поиска воспользуйтесь блоком "Карта сайта"
Суперлинейный транзисторный усилитель мощности звуковой частоты с прямым преобразованием цифрового кода в аналоговый сигнал. Что такое усилитель, всем известно, - это устройство, имеющее набор элементов, собранных по специальной схеме. Причем у разных усилителей разные схемы и разные элементы, одни усилители лучше, другие - хуже, однако все они, в силу происходящих физических процессов, искажают сигнал. В подавляющем большинстве современных устройств усиливаемый сигнал представляет собой цифровой код, который преобразуется цифроаналоговым преобразователем и усиливается аналоговым способом. При этом известно, что цифровой сигнал не может быть изменен или искажен, в то время как аналоговый сигнал претерпевает искажения в процессе усиления. Значит, нужно полностью отказаться от аналогового усиления, но делать это лучше постепенно. На первых порах можно сделать так, чтобы сигнал на динамик подавался еще с аналоговых цепей, которые содержат два транзистора, включенных по схеме с общим коллектором. Все остальное должно быть цифровым. Для такой постановки задачи я предлагаю следующую схему цифроаналогового УМЗЧ (рис.1).
Здесь всем управляет микроконтроллер U1A. На входы его поступают цифровой сигнал входа и аналоговый сигнал с мультиплексора U1B. Мультиплексор переключает аналоговые сигналы между собой так, чтобы микроконтроллер мог получить на свой вход поочередно три аналоговых величины: ток через транзистор Q1, ток через транзистор Q2 и напряжение на нагрузке, снятое с резистора R4.
Микроконтроллер поочередно преобразует их в цифровой сигнал, затем запоминает и обрабатывает в соответствии с вложенной в него программой. Место вывода массы определяется цепями питания цифровых микросхем. Микроконтроллер имеет всю необходимую информацию для создания в нагрузке необходимого напряжения или тока. Ток нагрузки можно вычислить по формуле
Ток можно плавно регулировать программным путем, меняя сопротивление усилителя мощности от источника тока к источнику напряжения. Выходов у микроконтроллера всего два - для управления выходными транзисторами.
Программа микроконтроллера должна осуществлять следующие функции:
- устанавливать и контролировать ток покоя выходных транзисторов;
- устанавливать нулевое выходной напряжение, то есть токи покоя транзисторов должны быть равны друг другу;
- снимать, запоминать и использовать переходную характеристику управляемого транзистора и его характеристику передачи по току. Это можно делать один раз после установки конкретных транзисторов в схему, используя тестовое выходное сопротивление, а можно делать для конкретной акустической системы, тогда согласование усилителя и акустики будет идеальное;
- управлять выходными транзисторами на основе их характеристик так, чтобы искажения сигнала отсутствовали;
- закрывать транзисторы плавно, а открывающийся транзистор регулировать, исходя из нужных значений выходного сигнала. Транзисторы желательно полностью не закрывать;
- использовать отрицательную обратную связь, изменять ее глубину или не использовать ее вообще.
Другой вариант схемы, где исключается искажение сигнала аналоговым мультиплексором, представлен на рис.2.
В ней аналоговые величины преобразуются в цифровой код каждая своим ЦАП U2A/B/C, а потом уже поступают в цифровой мультиплексор.
Более практичной будет схема на полевых транзисторах. Биполярные транзисторы управляются значительным током, который не может быть выдан микроконтроллером. Значит, необходимо ставить между выходом микроконтроллера и базой выходного транзистора токовый усилитель. Это усложняет схему вносит дополнительные искажения. Полевые транзисторы управляются напряжением. Значит, любой микроконтроллер может справиться без дополнительных устройств с управлением мощным выходным полевым транзистором. На схеме (рис.3)
U1 - микроконтроллер с двумя аналоговыми выходами, драйвер U5 предназначен для управления верхним плечом усилителя IRF2204. Масса для цепей питания микросхем U2 и U3 подключается к точке 0а. Таким образом, их питание "плавает" вместе с напряжением на нагрузке. Для развязки цепей питания мультиплексора и микроконтроллера использована оптопара на микросхеме U4. При ближайшем рассмотрении читатель может заметить, что на аналоговую часть рассмотренных УМЗЧ поступает дискретный или ступенчатый сигнал, из которого следует отфильтровать полезную составляющую. Функцию фильтра в схемах выполняют динамик и транзистор. Для того чтобы обработка обратной связи микроконтроллером не вносила дополнительных искажений за счет отставания по фазе, необходимо сделать тактовую частоту на несколько порядков выше частоты сигнала или исключить ООС вообще. К аналоговой части на практике также необходимо добавить защиту транзисторов на тот случай, когда по какой-то причине оба транзистора окажутся открытыми. Кроме того, при изменении температуры транзисторов, а это происходит постоянно, его характеристики "плывут". Это резко усложняет программу обработки, или нужно использовать глубокую ООС, что так же нежелательно. Поэтому предлагается еще одна схема, реализующая метод импульсного усиления звукового сигнала.
Импульсный линейный УМЗЧ без ООС
Выходной каскад усилителя работает в классе D, но его режим по току покоя аналогичен транзисторному усилителю класса А. История его создания началась с желания сделать импульсный усилитель мощности с высоким КПД более 80% с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в обоих плечах выходного каскада. Тогда при нулевом входном напряжении оба ШИМа закрыты, и ток покоя равен нулю. Если на входе есть отрицательная полуволна сигнала, то работает ШИМ нижнего плеча, а ШИМ верхнего плеча закрыт. Принципиальный недостаток такого подхода в том, что слабый сигнал начинал звучать с искажениями даже при наличии глубокой ООС, при этом громкий сигнал звучит классно. При последующей регулировке и доводке было замечено, что при таком смещении "нуля", когда работал только один ШИМ, а второй был выключен, звук сразу становился нормальным даже без ООС. Это меня натолкнуло на мысль, что искажения возникают из-за неидеальных характеристик закрывания и открывания транзисторов (рис.4). Другими словами, для работы с малым сигналом они не успевали открыться и тут же закрыться, в результате резко искажалась функция передачи усиления всего устройства в области малых сигналов. Тогда было решено не достигать максимально высокого КПД и оставить только один ШИМ (рис.5). Теперь при подаче на вход нулевого сигнала на выходе создавался меандр, и ток покоя протекал через индуктивную нагрузку. КПД соответственно упал до 50-60%. Подключил динамик и услышал хороший чистый звук даже на самом малом сигнале.при малой частоте дискретизации начали сгорать высокочастотные динамики, так как именно через них протекал большой ток покоя из-за малого индуктивного сопротивления ВЧ динамиков. В свою й очередь, басы звучали тихо, потому что у низкочастотных динамиков очень высокое сопротивление для частоты ШИМа. Но зато голос и средние частоты фонограммы звучали идеально без ООС, ибо сопротивление динамика почти не влияло на ток через него. Так как ШИМ работает на индуктивную нагрузку, сопротивление которой гораздо выше, чем активное, толкающее диффузор сопротивление динамика, получился аналог источника тока. Фильтрация ШИМ происходит самим динамиком, поэтому в схеме нет на выходе никакого фильтра.
На схемах приведены собственно широтно-импульсный модулятор (рис.6) и выходной силовой блок для него (рис.7). Сам ШИМ содержит только генератор пилообразного напряжения и компаратор. В ШИМ можно использовать свою схему генератора пилообразного напряжения. В силовом блоке можно поднимать напряжение питания до 300 В и выше, в зависимости от выходных транзисторов. Полевые транзисторы можно соединять параллельно, так что выходная мощность может достигать сотен ватт.
Кстати, защиты по току здесь нет, а есть только ограничивающие резисторы, так что будьте осторожны при подключении нагрузки. Нагрузка должна быть строго индуктивная При испытаниях, развивая выходную мощность около 15 Вт на средних частотах (громкость такая, что можно было оглохнуть), транзисторы стояли на 15-тиваттных радиаторах и были холодными. Другими словами, потери - это тепло, которое рассеивается в динамике. Поэтому на небольших радиаторах можно делать супермощный усилитель: транзисторы-то не греются! Соединительный шнур от выхода усилителя до колонки лучше делать экранированным, тогда будет меньше паразитных наводок и интерференции. Наводки и шумы у испытуемого усилителя были слышны на расстоянии 1 м от колонок. Вообще, мною была первоначально использована микросхема КР1114ЕУ4 (TL493), которая уже имеет в себе и ШИМ, и драйвер управления полевыми транзисторами. Однако ее генератор пилообразного напряжения и внутренний компаратор меня не устроили: нелинейность была заметна и слышны шумы. Хотя, если делать ШИМ для басов, то она подойдет, а схема будет один конденсатор, два резистора и два выходных полевых транзистора. Усилители ШИМ хорошо себя ведут при работе в узком частотном диапазоне, поэтому на их базе получится отличный двух- или трехполосный усилитель, каждая полоса которого усиливает свой диапазон частот и нагружена на свой динамик. Тогда не нужно делать разделительные фильтры в колонках, а разделять диапазоны можно цифровым методом, т.к. известно, что цифровое разделение диапазонов вносит меньше искажений в сигнал. Нужно заметить, что у ШИМ усилителей все колебания питающего напряжения передаются в нагрузку, поэтому рекомендую делать такой усилитель для СЧ и ВЧ диапазонов, так как для этих диапазонов легче сгладить питающее напряжение.
Можно сделать полностью цифровой усилитель, если вместо ЦАП на выходе CD-плейера использовать преобразователь цифрового кода в ШИМ. Так выполнен цифровой усилитель, стоимость которого около 10000 долларов, под названием TacT Millennium MKII. И хотя разрешение его ШИМа всего 8 бит, отзывы он получал на выставках лестные (благодаря рекламе). Однако у него ШИМ не класса А, то есть малые сигналы должны значительно искажаться. Это можно понять из объявленного КПД - около 95%. К тому же, разрешение 8бит позволяет создать динамический диапазон всего 42 дБ, что явно мало для прорисовки деталей в фонограмме. Преобразователь параллельного кода в широтно-импульсный (временной) код можно сделать и самому на дискретных элементах. Но здесь серьезным ограничением является быстродействие микросхем. Например, для кода на 12 бит с частотой дискретизации 44 кГц тактовая частота преобразователя будет 44х212 = 180 МГц. Схема преобразователя параллельного кода или аналогового сигнала в сигнал с ШИМ для цифрового усиления показана на рис.8. В этой схеме преобразование происходит с разрядностью 8 бит. Микросхема U2 - это восемь исключающих ИЛИ. Если нужно преобразовать цифровой параллельный код, то АЦП U10 необходимо убрать из схемы и поступающий код синхронизировать с выводом "tact". Этот преобразователь можно без труда сделать с 16-тибитным разрешением. Для этого нужно добавить еще один восьмеричный счетчик (U5), завести на него сигнал, удвоить количество микросхем U2, а микросхемы U4, U7 заменить 16-тивходовыми. При этом частоту задающего генератора нужно увеличить до 6,5 ГГц. А можно сделать 12 бит, тогда частота генератора будет 180 МГц, а динамический диапазон составит 66 дБ (один разряд на полярность, 11 х 6 дБ), что вполне годится для высококачественного звучания. Ведь в этом случае искажения будут около 0,05%. В качестве элементной базы нужно использовать быстродействующую ЭСЛ логику, однако придется столкнуться с большим потреблением тока. Например, счетчики-делители 193ИЕ5/6 имеют граничную частоту 1 ГГц, однако здесь они не могут использоваться, потому что имеют заданный коэффициент деления. Есть микросхема Н193ПЦ6 (SP8606) - это делитель частоты на 2 с граничной частотой 3 ГГц. На них можно вполне построить двоичный счетчик на 12 разрядов. Можно взять серию микросхем 1500. Например, "исключающее ИЛИ" К1500ЛП107 имеет задержку 3 нс. Более простая схема преобразователя параллельного кода изображена на рис.9.
Замечу, что при использовании такого преобразователя 250MHz совместно с выходным каскадом импульсного усилителя, иил описанного выше (рис.6,7), искажения и шумы становятся равны нулю, поэтому нет необходимости обсуждения характеристик схемных решений и баталий вокруг разных ООС, динамических искажений и прочего, что обычно возникает вокруг нового усилителя. Остается только поле деятельности по совершенствованию схемотехники разного рода питающих цепей. Оригинальный преобразователь аналогово сигнала в ШИМ для импульсного усилителя класса А на микросхеме КР1114ЕУ4 (TL494) показан на рис.10. На схеме выход "PWM" нужно подать на вход "ШИМ" драйвера силового блока (рис.7), управляющего полевыми транзисторами. Схема работает так: усилители ошибки микросхемы отключены, так что они не влияют на работу схемы. Сигнал подается напрямую на ШИМ-компаратор к.3 DD1. Время реакции компаратора равно 5% от цикла. Выходной каскад работает в однотактом режиме, так что сигнал можно снимать с любого выходного транзистора, которые включены по схеме с общим эмиттером. Середина напряжения устанавливается резистором R4. Резистор R2 регулирует частоту генератора. Нагрузочный резистор R3 должен быть на 2 Вт. Цепь питания желательно зашунтировать танталовым конденсатором емкостью 1 мкФ в непосредственной близи от ножек питания микросхемы 7 и 12. Возможен вариант, когда частота ШИМ по каким-либо причинам будет сорвана, тогда на выходе появится постоянное напряжение, равное напряжению питания. Поэтому желательно сделать защиту выходных цепей от появления постоянного напряжения на выходе. Управление такой защитой предусмотрено в микросхемах фирмы IR. Например, у микросхемы IR2104 на третью ножку можно подать запрет открывания обоих полевых транзисторов.
Экономичный импульсный усилитель
мощности звуковой частоты класса А с высоким КПД
Этот усилитель создан на основе импульсного усилителя класса А (рис.5), в котором длительность импульса положительного и отрицательного должна регулироваться так же, как в импульсном усилителе с двумя ШИМ, но при нулевом входном сигнале должен оставаться небольшой ток покоя через нагрузку. Другими словами, ШИМ обоих плеч не должен полностью закрываться. Для того чтобы малые сигналы звучали без искажений, переход напряжения от минуса к плюсу в районе нулевого времени должен производить один ШИМ. Тогда, упрощая устройство, получаем, что переход через ноль должен осуществляться блоком питания, тогда эта функция будет реализована сразу для всех каналов усилителя. Продолжительности сигналов правого и левого каналов (положительного и отрицательного импульсов) регулирует один ШИМ, что соответствует импульсному усилителю класса А. Значит, и усиление малых сигналов будет происходить линейно, вне зависимости от скорости нарастания или спада тока при коммутации выходных транзисторов.
Схема такого усилителя состоит из собственно самого широтно-импульсного модулятора, который преобразует входной аналоговый сигнал в ШИМ сигнал, и силового блока - выходного каскада, который управляется этим ШИМ сигналом.
Схема модулятора представлена на рис.11. Компараторы можно ставить любые, однако от их точности, быстродействия и шумов зависит качество преобразования. Здесь используются компараторы LM393N, у которых выход с открытым коллектором, поэтому в схеме везде стоят резисторы по 6,8 кОм или 10 кОм, подтягивающие высокое выходное напряжение компаратора до напряжения питания. Генератор пилы можно использовать любой, помня, что от линейности его "пилы" и стабильности частоты зависит линейность усилителя. Его можно взять из предыдущего варианта импульсного усилителя.
D-триггер можно брать любой, в схеме использована микросхема К756ТМ2, потому что ее питание может быть 15 В. Выход модулятора "меандр" подключается к силовому блоку для создания "импульсной земли" для нагрузки обоих каналов импульсного стереоусилителя. Это значит, что эту "импульсную землю" ни в коем случае нельзя замыкать с другими цепями или деталями, потому что на ней постоянно присутствует меандр с амплитудой напряжения питания силового блока. Резисторы R6 и R7 задают ток покоя и смещение выходного напряжения. Диоды любые быстродействующие, например, КД522. На схеме силового блока (рис.12) показан: а) генератор "импульсной земли" и б) один канал силового блока. Нагрузка каждого плеча подключается между выходом генератора "имп.зем." и выходом переключателя переменного тока "выход" силового блока с соответствующими номерами. Нагрузка должна иметь достаточное индуктивное сопротивление (подойдет любая динамическая головка). Чисто резистивное сопротивление или емкостную нагрузку подключать на выход нельзя. На транзисторе Q6 выполнен узел начальной накачки бустерного конденсатора С5. Этот конденсатор используется драйвером U2 для управления переключателем переменного тока, выполненного на транзисторах Q3 и Q4. Точки "ноль" должны соединяться вместе. Конденсаторы С1, С2, С5, С6, С7, С8, С9 должны быть высокочастотными для сглаживания импульсных токов. Конденсатор С7 должен стоять в непосредственной близи от транзистора Q1, а С2 и С6 - вблизи от своего драйвера. Резисторы R5 и R6 на 5 Вт токоограничивающие, для предотвращения выхода из строя выходных транзисторов при КЗ в нагрузке. Стабилитрон D8 рассчитан на напряжение 17-18 В. Для увеличения мощности можно ставить параллельно дополнительные полевые транзисторы.
При этом нужно помнить, что через Q1 и Q2 генератора "импульсной земли" протекают токи обоих каналов импульсного усилителя, а сопротивление токоограничивающих резисторов нужно уменьшить. Все одинаковые напряжения берутся от одного источника питания. Напряжение питания может быть не 200 В, а другим. Однако нужно чтобы все диоды, кроме D1, D2 и D7 (на 30 В), все конденсаторы, кроме С1, С2, С5 и С6 (30-50 В), и все транзисторы были рассчитаны на это другое напряжение. Резисторы R7, R8, R11, R14, R12 мощностью 1 Вт. Радиаторы транзисторов должны рассеивать примерно 15% от выходной мощности. Питание 200 В желательно стабилизировать. Примерные характеристики импульсного усилителя мощности: КПД 70-90% в зависимости от тока покоя через нагрузку; шумы -40...-60 дБ; искажения 0,1-1% в зависимости от параметров модулятора, тока покоя, схем питания; выходная мощность 50...1000 Вт в зависимости от выходных транзисторов и питающего напряжения. Данный импульсный усилитель обладает высокой линейностью без применения каких-либо ООС. Может работать на многополосную акустическую систему без риска разрушения высокочастотного динамика. Однако нужно помнить, что индуктивные сопротивления динамиков разных полос отличаются, и для линеаризации АЧХ акустической системы нужно подобрать дополнительную индуктивность последовательно СЧ и ВЧ динамику. Если же в АС только СЧ и ВЧ полосы, то индуктивность нужно подобрать только для ВЧ динамика. Желательно сделать защиту АС от появления постоянного напряжения на выходе импульсного усилителя в случае его аварийного режима. Если модулятор ШИМ сигнала выполнить с помощью цифровой схемотехники, то искажения и шумы будут определяться только разрядностью преобразователя и нестабильностью его тактовой частоты, а также нестабильностью напряжения питания 200 В) . Настройка усилителя. Сначала нужно убедиться, что модулятор работает правильно. Закоротим вход модулятора. На выходе "меандр" должно быть напряжение меандра, а на выходе ШИМ каждого канала должны быть узкие импульсы, как показано на диаграмме (рис.13).
Ширина импульсов на выходе ШИМ соответствует току покоя через нагрузку. Ток покоя устанавливается в модуляторе резисторами R6 и R7. Если переход через "нулевое время" меандра происходит не в центре импульса ШИМ, значит, нужно подобрать R6 или R7. Если под рукой нет осциллографа, то отцентрировать ШИМ сигнал можно по минимуму выходного тока через нагрузку. Диаграмма на рис.14 иллюстрирует работу модулятора при подаче на его вход синусоидального сигнала. Убедившись в работе модулятора, подключаем выход модулятора "меандр" к одноименному входу силового блока. На выходе "имп.зем." должен быть также меандр. Подключим индуктивную нагрузку (можно НЧ динамик, так как он обладает высоким индуктивным сопротивлением) между выходами "имп.зем." и "ноль". Ток через нагрузку должен течь только переменный. Отключим нагрузку. Теперь подключим выход модулятора "ШИМ" к входу "ШИМ1" силового блока. Напряжение на бустерной емкости должно быть 12-15 В. А на выходе драйвера напряжение должно повторять ШИМ сигнал. Подключим индуктивную нагрузку к выходам "имп.зем.1" и выходу "выход1". Постоянная составляющая тока через нагрузку должна быть равна нулю. Если это не так, то нужно подобрать резистор R6 или R7 в модуляторе. Теперь подключим к усилителю АС и подадим на вход модулятора слабый сигнал. Нужно подобрать ток покоя так, чтобы искажения сигнала были незаметными для минимально возможного тока покоя. Чем выше граничная частота выходных транзисторов, тем меньше ток покоя можно установить, не искажая слабого сигнала. Теперь так же подключим и настроим второй канал усилителя.
Мощный цифроаналоговый преобразователь в качестве цифрового усилителя ШИМ преобразователи не могут моментально изменять напряжение (ток) на выходе, и для их работы нужна индуктивная нагрузка. Для того чтобы выходное напряжение могло моментально изменяться от максимума минуса до максимума плюса и можно было использовать резистивную или даже емкостную нагрузку, мною был предложен мощный цифроаналоговый преобразователь, выполняющий функции цифрового усилителя или цифрового прецизионного мощного источника питания. В настоящее время все более привлекают внимание схемы прямого преобразования цифрового сигнала в мощный аналоговый сигнал, минуя аналоговые цепи усиления. Это дает возможность увеличить КПД преобразования и повысить точность преобразования. Скажем, уже давно работают радиопередающие устройства, напрямую преобразующие цифровой код в аналоговый ВЧ сигнал, передаваемый в антенну. Большинство цифроаналоговых преобразователей (ЦАП, DAC), которые можно было бы использовать для целей звуковоспроизведения, выполняются слаботочными, что не позволяет их применить напрямую для преобразования-усиления мощного сигнала. В данной статье описывается способ и схема мощного цифроаналогового преобразователя. Этот ЦАП может развивать выходную мощность в киловатты, а КПД при этом остается около 80-95%. Скорость изменения выходного напряжения от максимума минус до максимума плюс настолько велика, что не поддается измерению доступными радиоизмерительными приборами. Нагрузка может быть резистивной и даже емкостной. На базе такого ЦАП можно сделать усилитель мощности звукового сигнала с выходной мощностью 1...5 кВт, при этом стоимость его будет порядка 50-100 дол., а цены на такие усилители промышленного изготовления колеблются от 0,5 до 5 дол./ватт. Например, усилитель компании Powersoft с выходной мощностью 2х1,5 кВт стоит около 2500 долларов. Классический ЦАП содержит в себе набор источников тока или напряжения, которые соединяются вместе в зависимости от цифрового кода на входе для создания на выходе аналогового сигнала. Источники тока соединяются параллельно, а источники напряжения - последовательно. Рассмотрим схему ЦАП с источниками напряжения (рис.15).
Здесь N источников напряжения, каждый из которых коммутируется своим разрядом входного кода. Амплитуда напряжения каждого источника напряжения соответствует своему разряду. Например, если младший (нулевой) разряд коммутирует источник с амплитудой 2 В, то первый разряд будет коммутировать источник с амплитудой 4 В, а самый старший разряд управляет источником с амплитудой 2N В. Тогда, 8-мибитный преобразователь с младшим источником напряжения в 2 В может выдать напряжение на выходе от 2 В до 256 В с шагом 2 В. Значит, для создания мощного ЦАП нужно создать такие источники напряжения, которые можно было бы коммутировать и соединять последовательно. Мною разработан коммутируемый источник импульсного напряжения. Его схема изображена на рис.16. С помощью таких источников импульсного напряжения можно сделать ЦАП мощностью в несколько киловатт с КПД около 80-95%. На схеме источника вход "упр" есть вход разряда, который управляет состоянием ячейки "включено/выключено". Входы "имп.пит.1" и "имп.пит.2" подключаются к импульсному блоку питания. Вход "пит." подключается к источнику постоянного напряжения. Выходы "выхГ и "вых2" - Рис.16 собственно выходы источника импульсного напряжения. Если ключ S1 замкнут, то ячейка работает как простой импульсный трансформатор. А если ключ S1 разомкнут, то ячейка превращается в короткозамкнутый виток со стороны первичных обмоток I и II, тем самым пропуская через себя беспрепятственно внешние токи по вторичной обмотке III. Блок должен создавать импульсные напряжения "имп.пит1" и "имп.пит2" в противофазе. Желательно иметь небольшой временной интервал между фронтами и спадами этих напряжений. Это нужно для того, чтобы переключение ключей в ячейках происходило в момент нулевого напряжения на них, уменьшая тепловую мощность, выделяемую на ключах ячеек и увеличивая КПД всего устройства.
Схема блока питания приведена на рис.17. На схеме генераторы ВВ7 м ВВ6 создают импульсное напряжение со сдвигом 180° и задержкой 1 мкс между фронтом и спадом. Схема самих генераторов не показана, так как есть много литературы по импульсным источникам питания, где приведены разные схемы. Например, оба генератора и буферные транзисторы можно выполнить на одной микросхеме КР1156ЕУ или uc1825/2825/3825. Эта микросхема имеет встроенный генератор, два двунаправленных выхода и возможность регулировки времени задержки. Однако в техническом описании сказано, что нестабильность генератора этих микросхем может быть около 2%. В схеме блока импульсного питания силовые транзисторы должны быть рассчитаны на двойное напряжение питания +50 В. Данный блок питания может создать 1 кВт полезной мощности. Для увеличения мощности можно поставить параллельно дополнительные полевые транзисторы.
На схеме мощного ЦАП (рис.18) м., изображены N ячеек, выходы которых
соединены последовательно. Таким образом, на выходе создается сумма напряжений всех включенных ячеек.
Коэффициент преобразования трансформатора каждой ячейки соответствует разряду ячейки. Разряд s управляет инверсным выпрямителем, который выпрямляет импульсное напряжение или в постоянное отрицательное напряжение, или в постоянное положительное напряжение и подает его на нагрузку. Здесь все диоды должны быть рассчитаны на двойное напряжение питания +50 В. Выходные обмотки трансформаторов нужно наматывать одинаковым проводом. В схеме использованы полевые транзисторы, которые согласуются с логическими уровнями ТТЛ микросхем. Поэтому дополнительного преобразования цифрового кода не нужно делать. Необходимо синхронизировать блок импульсного питания и частоты дискретизации цифрового кода. Погрешность преобразования данного мощного импульсного ЦАП может быть около 5%. Поэтому можно для коррекции добавить относительно слабомощный аналоговый усилитель мощности на 10% от выходной мощности ЦАП. На рис.19 приведена схема с таким корректирующим аналоговым усилителем. Тут нужно учесть, что задержка мощного ЦАП зависит от скорости переключения полевых транзисторов. А она гораздо ниже скорости маломощных ЦАП, поэтому
необходимо ввести задержку цифрового кода перед подачей его на маломощный ЦАП для аналоговой коррекции выходного сигнала. Для схемы (рис.16) трансформатора ячейки, описанной выше, инверсный выпрямитель получается довольно сложный. Поэтому я предлагаю делать вторичную обмотку импульсного трансформатора с отводом от середины. Схема такого ЦАП показана на рис.20. Схема инверсного выпрямителя для ЦАП с трансформатором с отводом от средней точки вторичной обмотки может быть двух вариантов. Первый вариант (рис.21) имеет удобное управление, но в схеме используется полевые транзисторы обеих проводимостей. Второй вариант (рис.22) имеет более сложные цепи управления, зато использует один тип полевых транзисторов. В обеих схемах компаратор должен иметь выходной ток не менее 100 мА или необходимо добавить буферный каскад.
Во втором варианте инверсного выпрямителя микросхема U1A - логическое исключающее ИЛИ. Генератор V1 должен быть синхронизирован с генератором блока импульсного питания. При питании мощного ЦАП от сетевого выпрямителя и суммарном выходном напряжении 340 В, на нагрузке 10 Ом будет выделяться мощность примерно 1 кВт. На управление, но в схеме используется полевые транзисторы обеих проводимостей. Второй вариант (рис.22) имеет более сложные цепи управления, зато использует один тип полевых транзисторов. В обеих схемах компаратор должен иметь выходной ток не менее 100 мА или необходимо добавить буферный каскад. Во втором варианте инверсного выпрямителя микросхема U1A - логическое исключающее ИЛИ. Генератор V1 должен быть синхронизирован с генератором блока импульсного питания. При питании мощного ЦАП от сетевого выпрямителя и суммарном выходном напряжении 340 В, на нагрузке 10 Ом будет выделяться мощность примерно 1 кВт. На современной элементной базе можно сделать цифровой усилитель мощности и на 10 кВт. Представленные технические решения защищены патентами России: 2150784, 2166834, 2155431.
Цифровое усиление звуковых сигналов не является чем-то экзотическим на рынке 6ытовой радиоэлектроники, существует немало фирм, которые выпускают и готовые усилители, и на6оры микросхем для прео6разования и усиления сигнала. Другое дело, что это одна из немногих областей радиоэлектроники, где радиолю6ители существенно отстают от развития промышленного производства. Сегодняшняя публикация материалов Д. Ермолаева - тому подтверждение. Он единственный на постсоветском пространстве, кто продвинулся в этой области так далеко, что не только создал реально работающие схемы, но и защитил свои решения патентами. Ниже мы приводим промышленные разработки, которые могут быть использованы радиолюбителями для построения собственных устройств. Фирма Champion Microelectronic Corporation (CMC) выпустила микросхему CM8685, которая служит основой для создания моно УМЗЧ малой мощности (до 5 Вт), который можно использовать в переносных и других питаемых от батарей проигрывающих музыкальных устройствах. Для такого назначения есть причина - высокий КПД около 90%, питание 2...5 В, отсутствие необходимости в теплоотводе, качество воспроизведения звука, превышающее современные аналоговые устройства аналогичного класса, низкий ток покоя. Схема стерео УМЗЧ на основе CM8685 представлена на рис.23, диаграмма включения микросхемы - на рис.24.
Просмотров: 9910 |
Добавил: Chinas
| Рейтинг: 1.0/1
|
