Усилитель класса D - SOPHIA miniAmp [2022]

Идея

Мысль спроектировать портативный УМЗЧ класса D появилась, когда возникла нужда в компактном усилителе с развиваемой музыкальной мощностью в диапазоне 20-30Вт. Занимать место радиаторами усилителя АВ не было ни малейшего желания, ведь массо-габаритные  показатели усилителя АВ не идут ни в какое сравнение с усилителями D класса, что особенно важно при портативном исполнении.

Изучив различные усилители представленные для повторения в сети, было обнаружено, что портативных усилителей малой мощности, которые не содержат в своем составе специализированные микросхемы, практически нет. Таким образом было решено спроектировать простой и доступный к повторению усилитель полноценно воспроизводящий широкую полосу, который сможет выступить в качестве небольшого домашнего усилителя, или же усилителя для портативной АС.
Данная мысль заложила основополагающие идеи при проектировании усилителя, а именно:

• Однополярное питание;
• Отсутствие спец. микросхем;
• Отсутствие дефицитных или дорогостоящих компонентов;
• Отсутствие самостоятельно изготавливаемых моточных изделий;
• Компактная и простая для повторения печатная плата.

Схема

Выходной каскад

Проектирование данного усилителя производилось с упором на простоту и дешевизну, потому было принято решение использовать комплементарный выходной каскад, так как он не требует специализированных микросхем драйверов. Такой тип выходного каскада является непопулярным решением в следствии сильного разброса мощных мосфетов разных типов проводимости.
Однако для небольшой мощности у этого недостатка есть решение - применение транзисторных сборок.
Внутри сборки содержится 2 транзистора различной проводимости с достаточно близкими характеристиками, потому их использование в качестве выходной пары является удачным решением для требуемой нам мощности.

Мостовая топология позволила реализовать полностью дифференциальный усилитель, не требующий средней точки и как следствие получить однополярное питание и бОльшую мощность при меньшем питающем напряжении.

Для увеличения тока управления затворами применены повторители на транзисторах VT2, VT3, VT10, VT11.
Для ускорения закрывания транзисторов VT6, VT7 были применены каскады на транзисторах VT4,VT5,VT8,VT9.
Компоненты L1,L2,C12 представляют собой выходной фильтр.
Компоненты C11,C13,R17,R18 являются параллельной цепью Цобеля.​

Входная часть выполнена на доступном и недорогом компараторе LM311. Применение на входе компаратора это стандартное решение при использовании пассивного интегратора в цепи обратной связи. Инвертор выполнен на маломощном полевом транзисторе VT1, с которого снимается управляющее напряжение для второго плеча моста.
Вход дифференциальный, при использовании одного входа, второй ОБЯЗАТЕЛЬНО следует соединить с входом "s.GND".
Конденсатор С3 влияет на частоту несущей, при указанном на схеме номинале, несущая частота усилителя близко 350кГц.
Обратная связь взята до и после дросселя, что позволяет компенсировать искажения возникающие в выходном ФНЧ.

Технические характеристики

За неимением качественного измерительного оборудования, некоторые характеристики будут указаны на основании компьютерного моделирования схемы, они будут отмечены звёздочкой *.

• Напряжение питания: 6В...24В;
• Входное сопротивление: 1кОм;
• Чувствительность: 1В;
• В диапазоне 20Гц - 20кГц нелинейность АЧХ не хуже: +-1.5dB;
• Выходная мощность (пиковая, на музыкальном сигнале): 40Вт 4Ом;
• Выходная мощность (номинальная на синусоиде): 20Вт 4Ом;
• Скорость нарастания выходного сигнала: 4 В/мкС;
• Остаток несущей: 160мВ;
• Диапазон допустимой нагрузки усилителя: 4...8 Ом.

Коэффициент нелинейных искажений (20 Вт 4 Ом):

• На частоте 1кГц: 0.08%*;
• На частоте 20кГц: 0.13%*.

Была составлена небольшая таблица максимальной выходной мощности в зависимости от напряжения питания:

Красным выделены значения полученные кратковременно. На синусоиде длительностью 1 сек. Данные значения показывают музыкальную мощность, которая может быть получена на реальном музыкальном сигнале с учетом пик фактора.

Частотные характеристики

Частотная характеристика была построена с помощью генератора на ПК и замера напряжения осциллографом по точкам. 

Неравномерность АЧХ в звуковом диапазоне составила не более 1.5дБ. Замер производился на нагрузку 4 Ом.
За 0дБ принято среднее значение по амплитуде.

Осциллограммы

Была снята реакция на меандр, синусоида, а так же ограничение в клипе.
Отдельно показано сигнал на затворах выходных мосфетов, а так же остаток несущей на выходе усилителя.

Меандр:

Синусоида:

Синусоида, клип на пиковой мощности:

Как можно увидеть клип визуально не отличается от клипа усилителя АВ.

Сигнал на затворе выходных мосфетов:

Затворы транзисторов сборок "легкие" и нету сложности с их раскачкой, сигнал нарастает с достаточной скоростью. 

Остаток несущей:

На данной осциллограмме можно наблюдать остаток несущей, который составил 160мВ(действующее), что является хорошим результатом.

Элементная база

Чтобы успешно повторить и запустить данный усилитель перед запайкой элементов необходимо проверить каждый элемент на работоспособность и соответствие номиналу. Очень удобно для этого использовать тестер типа MG328a.

Резисторы

Все резисторы примененные в схеме типоразмера 1206.

Конденсаторы

В качестве фильтрующей емкости в выходном ФНЧ применен метал-полиэстеровый (MEC) конденсатор CL-23.

Конденсаторы на входе усилителя использованы электролитические, серии типа Samwha SD, зашунтированные керамикой типоразмера 1206.

Все остальные конденсаторы керамика типоразмера 1206.

Допустимые напряжения используемых конденсаторов

C1, C2 можно использовать на напряжение 16в и выше;
С3 можно использовать на напряжение 6,3в и выше;
С4, С5 можно использовать на напряжение 25в и выше;
С6-С8 можно использовать на напряжение 50в и выше, емкость можно увеличивать по принципу больше=лучше. При питании не более 20в допускается устанавливать конденсаторы напряжением 25В;
С9, С10, С14, С15 можно использовать на напряжение 25в и выше.
С11, С13 можно использовать на напряжение 50в и выше. При питании не более 20в допускается устанавливать конденсаторы напряжением 25В.

Транзисторы

В качестве транзисторов VT2-VT5, VT8-VT11 применены комплементарные пары BC817/807.

В качестве VT1 применен маломощный мосфет 2N7002.

Выходные транзисторные сборки применены IRF7389, их основные параметры и распиновку можно увидеть ниже.

Диоды и стабилитроны

Диоды VD1-VD4 типа 1N4148 или аналогичные;

Стабилитроны ZD1,ZD2 на напряжение 9.1 В мощностью 0,5 Вт, типа BZV55C9V1;

Разъемы и клеммники

Разъем для подключения источника сигнала применен типа 350-03P 3-х полюсный с шагом выводов 3,5мм.

Клеммы для подключения питания и АС ножевые 6,3мм.

Печатная плата

Плата усилителя выполнена односторонней. Для удобства домашнего изготовления верхний слой полностью оставлен под экран. В архиве содержится готовый гербер, который можно без каких-либо изменений отправлять на завод для изготовления печатной платы.

Габариты платы составили 60мм*41мм, достаточно компактно, не многим больше спичечного коробка. Все провода подключаются с помощью клемм, как было указано выше, для питания и подключения АС использованы ножевые клеммы 6,3мм, для подключения источника сигнала использована винтовая трехполюсная клемма с шагом 3.5мм.

Вид платы в редакторе:

Можно увидеть, что на печатной плате заложено 2 перемычки типоразмера 1206 в цепи обратной связи. Это было сделано с целью универсализации платы для экспериментов с разными типами обратной связи. Зная о том, что многие предпочитают топологию UcD, для желающих поэкспериментировать была реализована возможность переделки усилителя в UcD без каких либо изменений в печатной плате.  

Рекомендации по сборке

В этом разделе статьи хочется дать общие рекомендации по сборке УМЗЧ, при выполнении которых усилитель запускается и работает сразу.

• Используйте только проверенные радиокомпоненты, каждую деталь перед пайкой в плату следует проверить на работоспособность и соответствие номиналу, в независимости от того применяются новые детали или б/у. Отдельное внимание хочется обратить на smd конденсаторы, так как на своем корпусе они не имеют маркировки;
• Устанавливайте компоненты номиналом согласно схемы, самопроизвольная замена номиналов элементов недопустима;
• Перед установкой транзисторов необходимо убедиться в их работоспособности и соответствии их параметров документации;
• При использовании только одного входа, второй вход обязательно подключается на вход "s.GND", если диф.включение не предусматривается при будущей эксплуатации, целесообразно запаять перемычку прямо на плате между "-IN" и "s.GND".

Схема подключения

Мостовой выходной каскад имеет некоторые особенности в подключении, о которых важно не забывать. Ни один из выводов не соединен с общим проводом, потому подключать любой из выходов на общий провод ЗАПРЕЩЕНО, это чревато выходом усилителя из строя. 
Так же следует помнить что при сборке 2х каналов усилителя их невозможно включить мостом.

ВНИМАНИЕ 

Данный усилитель не имеет встроенных защит, что является следствием упрощения и минимизации схемы. Потому короткое замыкание на выходе, превышение напряжения питания, переполюсовка, превышение указанной в ТХ выходной мощности может привести к выходу усилителя из строя.
В случае выхода из строя выходных транзисторов, драйверный каскад остается целым и ремонт заключается только в замене транзисторной сборки.

Входной каскад имеет низкое входное сопротивление равное 1кОм. Как следствие рекомендуется использовать усилитель с предусилителем/буфером имеющим Ку=1...3. При использовании без буфера рекомендуется не превышать сопротивление входного регулятора громкости более 1кОм. 
Автором усилитель используется без буфера, с регулятором громкости номиналом 1кОм, источник сигнала звуковая карта ПК.

Фото готового устройства

*собранная плата имеет небольшие отличия от представленной к повторению. А именно отсутствием монтажных отверстий, а так же использованием в качестве входных конденсаторов керамики 22мкФ 16в.

Достоинства и недостатки

К достоинствам данного УМЗЧ стоит отнести:

• Однополярное питание;
• Компактные габариты (60мм*41мм);
• Отсутствие дорогостоящих или дефицитных компонентов;
• Использование готовых моточных изделий;  
• Односторонняя ПП проста в изготовлении (вторая сторона оставлена под экран);
• Простота сборки;
• При сборке из исправных комплектующих усилитель запускается сразу и не требует настройки;
• Стоимость одного канала ~ 3$ (при самостоятельном изготовлении ПП).

К недостаткам стоит отнести:

• Отсутствие защит;
• Низкое входное сопротивление.

Первый запуск и настройка усилителя

После запайки всех компонентов на печатную плату необходимо смыть остатки флюса и внимательно осмотреть печатную плату, проверив отсутствие замыкания случайно оставшейся каплей припоя. Проверить все ли компоненты установлены верно (направления диодов, полярность конденсаторов, тип транзисторов (пнп/нпн)) и их ориентацию в пространстве. 

В случае если используется один из входов усилителя, необходимо замкнуть между собой один из входов, например "-IN" со входом "s.GND" (как показано на схеме подключений). 

Если все в порядке, можно подключать питание. Первый запуск желательно проводить контролируя потребляемый ток, для исключения выхода из строя в случае ошибки при монтаже, оптимальным решением будет произвести первый запуск от кроны. Ток потребления в покое при питании от кроны должен составить порядка 50мА +-20мА.

Если все в порядке, можно подключить АС и подать сигнал на вход усилителя, если все предыдущие пункты не вызвали проблем, усилитель будет работать, теперь можно подключить полноценное питание в диапазоне 6...24В и наслаждаться прослушиванием.

P.S. Внизу прикреплен гербер файл для изготовления плат на производстве, а также .lay файл для самостоятельного изготовления печатной платы.
С уважением, Алексей Рослик (Alex Ground).

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	Микросхемы
DA1	Компаратор	LM311	1	SOIC-8	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
	Транзисторы
VT1	MOSFET-транзистор	2N7002	1	SOT-23	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VT2, VT4, VT8, VT10	Биполярный транзистор	BC817	4	SOT-23	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VT3, VT5, VT9, VT11	Биполярный транзистор	BC807	4	SOT-23	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VT6, VT7	MOSFET-транзистор	IRF7389	2	SO-8	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
	Резисторы
Перемычка	Резистор	перемычка	2	1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R1, R17, R18	Резистор	10 Ом	3	1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R13, R14, R21, R22	Резистор	22	4	1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R12, R23	Резистор	100	2	1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R3, R4, R10, R11	Резистор	1 кОм	4	1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R6, R9	Резистор	4.7 кОм	2	1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R2, R5, R7, R8, R15, R16, R19, R20	Резистор	10 кОм	8	1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
	Конденсаторы
C3	Конденсатор	470p	1	1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C4, C5	Конденсатор	1n	2	1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C11, C13	Конденсатор	100n	2	1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C6, C7, C8	Конденсатор	330n	3	1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C9, C10, C14, C15	Конденсатор	1u	4	1206	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C12	Конденсатор	1u	1	CL-23	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C1, C2	Конденсатор	22u 25v	2	SamwhaSD (+шунт 1206 100нФ)	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
	Индуктивности
L1, L2	Катушка индуктивности	10uH	2	CDRH125 smd	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
	Диоды и стабилитроны
VD1-VD4	Выпрямительный диод	LL4148	4	SOD-80	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
ZD1, ZD2	Стабилитрон	BZV55C9V1	2	SOD-80	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
	Клеммы
IN	Клеммник	DG350-3.5-03P	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Power, Out	Клемма	6.3мм ножевая	4	на плату	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
						Добавить все

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• УНЧ
• Sprint-Layout