Усилитель на MOSFET транзисторах

В процессе конструирования данного  усилителя я не задумывался о стоимости компонентов, поэтому некоторые решения могут быть не самыми оптимальными с точки зрения затрат.

Обзор возможностей

• Контролируемый микроконтроллером предусилитель с возможность управления ИК пультом. Для сохранения параметров громкости и др. в энергозависимой памяти, есть запасное питание от батарейки.
• Символьный ЖК дисплей 2*16 для индикации громкости и т. д.
• Три универсальных линейных входа, один вход и выход для магнитофона.
• Стерео усилитель 70Вт на основе MOSFET транзисторов.
• Выход на наушники.
• Питание + /-38V на 4А и + /-5В при 500 мА питания.

Блок микроконтроллера

На микроконтроллере PIC16F84A реализовано управление усилителем и индикация параметров. К микроконтроллеру подключены следующие периферийные устройства:

• LM1973 цифровой аттенюатор.
• DS1302 часы реального времени (RTC).
• 2x16 LCD в режиме ввода символов с помощью регистра сдвига 74HC163.
• CD4094 регистр сдвига, действующий в качестве общих выходных портов. Эти порты подключены к аналоговому мультиплексору CD4052, переключателю режимов чтения и прослушивания сигнала с магнитофона и режимом подъема частотной характеристики басов. Также к этому регистру подключен  ЖК-дисплей и релейная схема отключения колонок.
• TSOP1736 ИК-приемник.
• Три кнопки управления.
• Контакт переключателя от гнезда для наушников (вынут штекер – одно положение, включен – другое) используется для указания на MCU, что наушники подключены и надо отключить колонки.

16F84 дешевый, быстрый и имеет достаточное количество памяти. Он не имеет достаточного количества портов ввода / вывода, поэтому мне пришлось использовать регистры сдвига для хранения данных разосланных по SPI интерфейсу. SPI шина должна была быть использована в любом случае, для работы с RTC.

Разъем JP2 подключают к предусилителю с μPot. ЖК-дисплей подключают по стандартной схеме. Некоторые модели дисплеев имеют разъем 2x8 вместо 1x16, тогда их подключают согласно цоколевке.
16F84 работает на частоте 4 МГц, выполняя примерно 1 млн. операций в секунду, а этого более чем достаточно. Он имеет 1k внутренней флэш-памяти, 64 байт EEPROM и 68 байт памяти. Программа написана на ассемблере. Все необходимые для программирования выводы выведены на разъем. Программное обеспечение (. ASM-файл) прилагается к статье. Часть кода имеет комментарии на английском языке. Код в настоящее время не имеет никаких известных ошибок.

DS1305 RTC тактируется кварцем 32кГц. В основном она используется потому, что имеет 96 байт энергозависимой памяти, которая служит для сохранения текущей громкости и др., даже когда питание выключено (за счет резервного питания). Можно было использовать EEPROM контролера для этого, но он имеет ограниченное кол-во циклов записи. Контроллер обменивается информацией с RTC через шины SPI (SCLK, SDI и SDO контакты). DS1305 включает в себя программируемое зарядное устройство, которое может быть настроено через шину SPI.

CD4094 является регистром сдвига с сохранением значения. Данные из микроконтроллера  передаются по последовательному интерфейсу через D и CLK контакты. Когда CD4094 получает сигнал, данные из регистра сдвига фиксируется и подаются на выходы. Это гарантирует, что значение не изменится, когда другое устройство будет использовать SPI шину (RTC, μPot и т.д.). 74LS164N является 8-разрядным регистром сдвига. Он ведет себя, как 4094, но без сохранения значений т.к. она управляет ЖК-дисплеем, который имеет свою память для сохранения значения.

Предусилитель

Предусилитель основан на аудио ОУ MAX414 с низким уровнем шума.
Предусилитель обеспечивает усиление до  +6 дБ, регулятор громкости и два режима подъема частотной характеристики басов.

В первом каскаде используются IC1A и IC1B (DD1.1 и DD1.2) не инвертирующие усилители. С8 обеспечивает подавление помех, C11 и R8 ведет себя как ФНЧ, и устанавливает входной импеданс предусилителя на 100k. R10 и R15 устанавливают коэффициент усиления этого каскада на 2 (6 дБ). C1, C5, C6 и C10 являются фильтрующими. С1 и С10 необходимо разместить возле микросхемы.

В дополнение к входному каскаду, эта схема включает в себя пару буферов (IC1C и IC1D (DD1.3 и DD1.4)), используемых на выходе μPot, который имеет высокий выходной импеданс.

LM1973 μPot является цифровой микросхемой регулятора громкости. Он содержит три цифровых регулируемых аудио аттенюатора с  максимальным значением 78dB, и выключающихся при значении > 100 дБ. Он принимает изменения настроек через SPI-совместимый интерфейс шины. В схеме, JP5 подключается к JP2 на плате контроллера. Он имеет одно неоспоримое преимущество по сравнению с аналогичными устройствами - использование раздельного питания, что исключает возможность помех от других частей схемы.

Схема подъема частотной характеристики басов  имеет два переключаемых режима. Первый аудиовход проходит через ФНЧ, частота среза которого составляет 100Гц. ФНЧ построен на IC2C и IC2D (DD2.3 и DD2.4), выход с ФНЧ подается на мультиплексор на основе CD4052. Этим мультиплексором можно переключать земли, ослабленный и полный выход с ФНЧ. Выбранный выход суммируется с оригинальным аудио сигналом, и подаются на конечную стадию усиления.

Построечные резисторы R21 и R25 используются, чтобы установить уровень басов. Как правило, это около 50% - 70% оборота резистора. Он может быть скорректирован по своему вкусу. На IC2A и IC2B (DD2.1 и DD2.2) сделан суммирующий усилитель и драйвер выходного каскада. 100Ω резисторы R11 и R16 являются защитой для конденсаторов от возможных помех идущих с IC2A и IC2B (DD2.1 и DD2.2).

Выбор входного сигнала

Выбор входного сигнала основан на двух аналоговых мультиплексорах CD4052. IC2 используется для выбора источника входного сигнала (CD/AUX1/AUX2) и IC3 используется для выбора либо источника, выбранного выше, либо сигнал с магнитофона, либо сигнал с магнитофона после динамического шумоподавления(DNR) LM1894. JP1-3 являются источником входа, JP5 на вход магнитофона. R1 регулирует уровень DNR. Он регулируется, так, чтобы были хорошо слышны высокие и низкие частоты. JP4 и JP7 приходят из платы микроконтроллера, и используется для выбора входов и индикатора магнитофона. JP8 является магнитофонным выходом, а также имеет выбранный вход. JP6 подключен к плате предусилителя (питание и сигнал). 1 МОм резистор предусмотрен для того, чтобы конденсаторы  не давали помехи, когда входы переключаются с одного источника на другой.

Усилитель для наушников

Усилитель для наушников базируется на чипе LM4880. Это уменьшило размеры усилителя. Описания схема не требует, т.к. взята из документации.

Основной УМЗЧ

Эта схема из журнала Мир электроники (август 2001). В ней в качестве выходных использованы недорогие полевые транзисторы. Общая отрицательная обратная связь используется для установки коэффициента усиления 27 дБ и уменьшения искажений.

Входные PNP транзисторы 2SA970 с низким уровнем шума и высоким коэффициентом усиления. У них максимально  низкое напряжения эмиттера, поэтому их напряжение питания снижается с помощью стабилитрона ZD1 и его обвязки C3 и R3. T1 используется в качестве источника тока. Поскольку максимальный ток сток-исток изменяется в зависимости от производственного процесса, вы должны выбрать резистор для каждого BF245 так, чтобы ток сток-исток был равен 1мА. С1 - фильтрующий входной конденсатор, но замкнут перемычкой, так как конденсатор уже присутствует в предусилителе. R1 и R2, а также C2 составляют сеть подавления помех на входе. R2 устанавливает входной импеданс  47kΩ. R4 и R5 это коллекторная нагрузка для Т2 и Т3. ZD2 (2,7 стабилитрон), C4 и C5 предотвратят базу Т4 от получения напряжения свыше 2,7 V в случае отключения усилителя, поломки колонки и т.д.

T9 и T10 формируют напряжение каскада усиления. В оригинальной схеме рекомендуется использовать 2SD756, которые я не мог найти, поэтому были использованы BF420. Это стадия дифференциала, источник постоянного тока образованный T6, T7, LD1, LD2, R10 и R11. T4, T5, D1, R8 и R9 выступают в качестве коллекторной нагрузки для T9 и T10, обеспечивая максимальное усиление. T8, R13-15, RV1 D2 и D3 формируют напряжения смещения на выходе устройства класса AB. RV1 устанавливается ток смещения. T8 должны быть прикручены к радиатору. R10 и R19 используются для ограничения тока. С6 и С7 являются конденсаторами ОС. R16, R17, C8 и С10 выступают в качестве ФНЧ для фильтрации питания.

D4, D5, ZD3 и ZD4 образуют элементарную защиту от короткого замыкания для выходных транзисторов. C11, C12, C14 и C15 являются конденсаторами развязки питания. С12 и С15 должны быть размещены рядом с MOSFET транзисторами. C13 и R20 используются для компенсации роста импеданса динамика. L1 это 10 витков на резисторе 10 Ом 1 Вт соединённая с ним параллельно. Это используется для предотвращения нестабильности усилителя вызванной ёмкость аудио кабеля.

R7 и R6 формируют обратную связь. Это устанавливает коэффициент усиления 27 дБ. Обратите внимание на разделение земли сигнала и земли питания. К входному каскаду приведена GNDA земля.  Конденсаторы  поставлены к земле питания (GND). Также отметим, что выход сети Цобель ссылается на третью землю GNDIO. GNDIO должен быть подключен к колонкам, которые затем подключаются напрямую к блоку питания через толстый провод заземления.

Блок питания

Блок питания состоит из двух частей: низковольтной и высоковольтной. Высокое напряжение производит нерегулируемые + / - 38В для усилителя мощности. Низкое напряжения + / - 5В для аналоговой секции (предусилитель, селектор входов, и т.д.) и +5 В для цифровой секции (MCU, ЖК-дисплей и т.д.). Используется трансформатор с 3 обмотками: 30-0-30 - 4A и 12-0-12 - 500mA вспомогательной обмотки. Третья 0-12 обмотка предназначена для управления реле отключения динамиков. Входное напряжение подключается к + 35А диодного моста и  блоков предохранителей, были использованы на 5А. Разъем с маркировкой JP1 подключается к вспомогательным обмоткам трансформатора (12-0-12) . 100nF конденсаторы С7-С12 должны быть размещены рядом с соответствующими микросхемами. C13-15 танталовые конденсаторы. Три светодиода служат в качестве индикатора наличия напряжения. Кроме того, они ведут себя, как минимальная нагрузка на БП.

Отключение колонок

Схема отключения колонок, представленные здесь, использует микроконтроллер для включения динамиков после небольшой задержки. Время задержки может быть запрограммировано. При выключении напряжения питания (0-12  со вспомогательной обмотки трансформатора) выключается очень быстро, выключая реле. Разъем для наушников включает переключатель для отключения колонок, это воспринимается MCU (через порт RB7), который затем отключает динамик. Высокий логический уровень на J1.2 (JP5.3, на плате микроконтроллера) включает реле, а значит, и динамики. Реле, используемые должны быть на 10А. Стабилитрон (ZD1) используется на 12V.

Изготовление

Все кроме УМЗЧ было построено на макетной плате.  УМЗЧ был сделан на текстолите FR4, с правильной разводкой земли и т.д.  Усилитель был вставлен в стандартный корпус старого усилителя. Однако, необходимы значительные изменения для этого корпуса. Пришлось делать отверстия для дисплея, светодиодов, радиатора, кнопок и т.д.

Ниже вы можете скачать исходник ASM

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Оригинал статьи

Теги:

• УНЧ
• Микроконтроллер
• PIC
• УНЧ для наушников
• Перевод