Усилитель USB 5V для динамиков ПК

В этой статье мы узнаем, как построить простую 3-ваттную схему усилителя, которая может питаться непосредственно от USB-порта USB 5V для управления 8-омным 3-ваттным динамиком. Вы можете построить пару таких схем и использовать их для создания стереовыхода в пару динамиков на 8 Ом. Обратите внимание, что TDA2822 IC устаревает, поэтому выбор схемы с использованием этой IC для обсуждаемого проекта может быть не очень хорошей идеей. Однако настоящий дизайн основан на IC LM4871, который в изобилии доступен, чтобы изучить основные функции и работу этой ИС

 

 

Основные функции

• IC работает без привлечения каких-либо конденсаторов связи или конденсаторов бутстрапа или конденсаторов демпфера
• Он обладает исключительной стабильностью благодаря Unity Gain.
• Поставляется с пакетами WSON, VSSOP, SOIC или PDIP
• Позволяет установить внешнюю сеть управления усилением

Важные технические характеристики:

• IC LM4871D предназначен для работы с громкоговорителями мощностью 3 Ом или 4 Ом при 3 Вт
• Все остальные версии серии предназначены для работы с 1,5 Вт с динамиком 8 Ом.
• IC имеют ток выключения, установленный внутри, как правило, равным 0,6 мкА
• Диапазон рабочего напряжения составляет от 2,0 до 5,5 В, идеально подходит для работы с USB-питанием ПК.
• Максимальное полное гармоническое искажение с нагрузкой динамика 8 Ом на частоте 1 кГц составляет около 0,5%

 

Спецификации выводов и упаковка

На следующем рисунке показаны детали выводов IC и доступных моделей пакетов, а также макеты:

 

 

Моделирование и работа усилителя USB 5V

 

Как видно из приведенной выше схемы, LM4871 включает в себя пару операционных усилителей внутри, предоставляя пользователю возможность конфигурирования усилителя несколькими способами. Коэффициент усиления первого усилителя может управляться извне, а второй усилитель подключен внутренне с инвертирующим коэффициентом усиления. Коэффициент усиления замкнутого контура для первого усилителя может быть определен путем соответствующего выбора значений отношения Rf / Ri, тогда как то же самое было исправлено для второго усилителя внутри через пару резисторов 40K. Мы видим, что выход усилителя # 1 сконфигурирован как вход усилителя # 2, позволяющий усилителям генерировать сигналы с одинаковыми значениями, хотя они могут быть на 180 градусов по фазе. Это приводит к дифференциальному усилению ИС как AVD = 2 * (Rf / Ri). Как правило, для любого усилителя может быть реализована настройка «мостового режима» путем дедукции подключенной нагрузки через пару выходов Vo1 и Vo2. Усилитель, сконфигурированный в мостовом режиме, будет иметь другой принцип работы в отличие от традиционных одноконтурных усилителей, которые имеют один конец нагрузки, подключенной к линии заземления. Схема с мостовым режимом работает с лучшей эффективностью по сравнению с одноконтурным усилителем, так как нагрузка или громкоговоритель переключаются в двухтактном режиме, что позволяет проводить двойное колебание напряжения для каждого переменного частотного импульса. Это фактически позволяет громкоговорителю производить в 4 раза больше мощности, чем одноконтактная версия при одинаковых обстоятельствах или спецификациях. Возможность достижения такой повышенной мощности позволяет усилителю работать без стадии ограничения тока и, следовательно, без нежелательного отсечения. Дополнительным преимуществом дифференциального мостового выхода является отсутствие постоянного тока на подключенном громкоговорителе. Это происходит, поскольку VO1 и VO1 смещены при одинаковых уровнях напряжения, то есть VDD / 2 в данном случае. Это позволяет усилителю работать без выходного конденсатора связи, что в противном случае становится обязательным в одноконтурных усилителях.

 

Ri - инвертирующий входной резистор, который используется для установки коэффициента усиления замкнутого контура вместе с Rf. Кроме того, этот резистор также реализует функцию фильтра высоких частот с Ci при fC = 1 / (2π RiCi).

Ci формирует входной конденсатор связи, расположенный для блокировки постоянного тока и допускающий частоту переменного тока аудиосигнала на входные контакты. Этот конденсатор также позволяет использовать фильтр высоких частот в сочетании с Ri при fC = 1 / (2π RiCi).

Rf становится сопротивлением обратной связи, которое фиксирует усиление замкнутого контура с помощью Ri.

Cs действует как байпасный конденсатор питания и обеспечивает фильтрацию пульсаций для источника питания.

Cb позиционируется как байпасный конденсатор, и этот конденсатор обеспечивает фильтрацию для половинного питания

Абсолютные максимальные значения

Ниже приведено максимально допустимое значение для этой схемы:

• Максимальное напряжение питания 6 В, типовое рабочее напряжение 5 В
• Минимальный и максимально допустимый уровни температуры составляют -65 и 150 градусов Цельсия соответственно.
• Входной музыкальный сигнал с USB может быть где угодно между -0,3 В и 5,3 В
• Максимальная рассеиваемая мощность внутренне ограничена, поэтому нет необходимости беспокоиться об этой проблеме.

Электрические характеристики:

V dd означает напряжение питания, которое обычно составляет 2 В и 5,5 В.

I dd - ток покоя, потребляемый от источника питания от ИС, и это может быть от 6,5 мА до 10 мА

I sd является символом тока выключения, когда потенциал №1 становится равным Vdd, инициируется выключение, в результате чего потребление падает до 0,6 мкА

V os относится к выходному напряжению смещения и инициируется при Vin = 0 В и может быть обычно 5 В и 50 мВ в ограниченном режиме.

P 0 - выходная мощность и составляет около 3 Вт, когда нагрузка составляет 8 Ом

THD + N указывает полное гармоническое искажение, которое находится в пределах от 0,13 до 0,25% при частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.

PSRR дает нам коэффициент подавления электропитания для Vdd при типичном 5 В, и это около 60 дБ.

 

Изображение прототипа усилителя USB 5V:

 

Рекомендации по компоновке печатных плат:

Оригинальная статья: ti.com/lit/ds/symlink/lm4871.pdf

• 1
• 2
• 3
• 4
• 5