P R E L I M I N A R Y

“Каменный“ усилитель на LME49810.

(2007) Александр Торрес, Нетания. National Semiconductor (NSC) не перестает нас удивлять своими сюрпризами. При достаточно простых и классических схемных решениях, ее продукция отличается превосходным качеством и широкой популярностью. Появление в свое время мощного выходного усилителя LM3886 [1] заставило многих пересмотреть свои взгляды на конструирование УМЗЧ. Она попросту сделала бессмысленным построение усилителей средней мощности достаточно высокого, хотя и не предельного класса. За много лет накопились определенные направления в ее использовании, позволяющие выжать из нее максимум (чего даташитовская схема определенно не делает) – это инвертирующее включение, гибридные включения и т.д. И все это несмотря на казалось бы «устаревшую» схемотехнику, базирующуюся на биполярных выходных транзисторах (споры вокруг выходного каскада не утихают, особенно в противопоставлении микросхемам TDA7293/94, использующих выход на полевых транзисторах). Эта микросхема стала настолько одной из самых популярных, что к этому не смогла даже приблизиться ее сдвоенная версия LM4780 [2]. Существуют схемы параллельно, мостового, мостового-параллельного включения [3], позволяющие увеличить выходную мощность LM3886/4780, но всем очевидно что в настоящее время кардинально повысить выходную мощность можно только с применением внешних выходных транзисторов. По этому пути и пошла NSC, выпустив микросхему LM4702 – по сути, двух канальный высоковольтный (питание 200в!) операционный усилитель с выходом на внешний выходной каскад [4]. Микросхема новая, и еще не успела прибрести популярность, как NCS делает новый «ход конем» - выпускает одноканальную LME49810, обладающую более мощным (60мА против 6мА) выходом и содержащую т.н. Baker Clamp – схему, предотвращающую насыщение выходного каскада [5] и анонсирует двухканальную (49820) и умощненную (49830) версии. В предлагаемой производителем схеме используются биполярные транзисторы (дарлингтоны). Это была бочка меда, ложку дегтя я добавлю в конце статьи. Опыта работы с LM49810 пока еще накоплено не очень много, и все имеющиеся решения так или иначе основаны на предлагаемой производителем «даташитовской» схеме с незначительными «добавками». Предлагаемые здесь схемы отличаются использованием полевых транзисторов. Это имеет свои преимущества и недостатки. Так, при использовании полевых транзисторов ухудшается использование напряжение источника питания (в силу большего напряжения гейт-сорс у полевиков чем база-эмиттер у биполярных). Также «коэффициент комплементарности», т.е одинаковость «прямых» и «обратных» транзисторов для полевых (N/P-канльные) обычно хуже чем для биполярных (PNP/NPN). Вместе с тем – полевые транзисторы гораздо устойчивее к стрессам (перегрузке по току), позволяют работать при более высокой температуре кристалла, и существенно легче «параллелятся». В отличие от биполярных транзисторов, управляемых током базы, гейт полевых транзисторов требует только емкостной ток. При включении нескольких полевых транзисторов параллельно, их входная емкость увеличивается. Типичные емкости гейта современных полевых транзисторов большой мощности 1-2нФ, реже чуть больше. Попробуйте посчитать какой ток нужен для работы трех-пяти параллельных транзисторов на частоте 100кГц и напряжении гейт-сорс около 8-10в. При необходимости – можно также поставить предвыходной биполярный транзистор для увеличения и без того немалого (60мА) выходного тока микросхемы. Лучше также и термостабильность усилителя при испльзовании полевых транзисторов, которые ведут себя прямо противоположно биполярным при нагреве. Для рада типов

транзисторов (и режимов работы) это позволяет вообще отказаться от цепочки термостабилизации (Vbe multiplier) – размещаемого на радиаторе выходных транзисторов датчика температуры (типично – маленький биполярный транзистор). Подробно, эти вопросы рассмотрены в [6]. Первая схема – самая простая, она в общем, не имеет особенностей, кроме предлагаемой для нее печатной платы, размером 55х45мм. Рассчитана на установку внешних выходных полевых транзисторов. Транзисторы в корпусе ТО-220 могут быть впаяны непосредственно в плату, транзисторы в корпусах ТО-247 и другие – проводами.

+ C9

220.0x63V

D1 15V

J31

C100.1

R1 20k

Q2

2n22

22A

G=25

R4 5k6

R17 120k

R10 2k2

+ C2

220.0x63V

GND

R2120k

R16

1k

+VCC

C10.1

C547p

J61

C3 1.0

J11

J51

J2

1

R824k

J71

R120.2R

R3 250R

OUT

R13

10R

Q32SJ162

R7

0.2RR5 1kL1

1uHJ4

1

R15 24k

C70.1

R92k2

-VEE

U1LME49810

1

2

3

4

5

6

8

10

12

11

13

14

15

97ClipFL

MUTE

GND

IN+

IN-

Comp

Osense

-VEE

BiasP

BiasM

Sink

Source

+VCC

nc2nc1

R622k

Q12SK1058

+ C11330.0

C6 18p

J10 Mute

12

C44.7

R1122k

C8 18p

R14 350R

Коэффициент усиления – 25 (может быть изменен резистором R16 или R15). Мощность при использовании указанных на схеме транзисторов , и питании +-65в на нагрузке 8 ом составила 200Вт. Для работы на нагрузку 4 ома следует установить по два транзистора в параллель. Также проверялась работа с более дешевыми и доступными транзисторами IRF620/IRFI9634 и транзисторами Fairchild FQP7N20/FQP7P20 – при питании +-50в мощность составила 100Вт на нагрузку 8 ом. При использовании в качестве сабвуферного усилителя, можно перевести усилитель в класс В, установив перемычку между выводами 11-12 микросхемы и не устанавливая Q2,R4,R10. На рисунках ниже показаны соответственно нижняя сторона печатной платы, расположение деталей на ней и вид сверху. Микросхема снабжена небольшим радиатором, способным рассеивать 2-3Вт. Все резисторы – СМД, типоразмера 0805, за исключением R7R12, которые 3-х ваттные Dale, и R13, который 5-ваттный Dale. Дроссель L1 - 15 витков провода 0.85мм, намотанных на точно таком же резисторе, как и R13. Конденсатор С4 – полипропилен Wima MKP. Электролитические конденсаторы – Nichicon, серий Стабилитрон питания цепи Mute – также СМД, в корпусе SOD80. На цепи Mute хочу остановиться более подробно. Согласно данным на LME49810, на вход микросхеме нужно подать ток 50-100мкА. Полное включение происходит при токе свыше 20мкА, а ток свыше 200мкА – губительный для нее. Поэтому питания береться с простейшего стабилизатора на D1,а ток задается резистором R2. Величина резистора R1 зависит от напряжения питания и примерно равна в килоомах (Uпит.-15)/2. Для входа в

режим Mute нужно закоротить контакты на разъеме J10 внешним транзистором, выключателем или реле. Поскольку в этом режиме только блокируется прохождение сигнала на выход усилителя, но не снимается смещение с выходных транзисторов – я не могу рекомендовать этот режим для длительного перевода усилителя в Standby. Да и вообще – блокировать сигнал по моему мнению, лучше в предусилителе а выходной оставить в покое. Но это лишь мое частное мнение.

Резистором R10 устанавливается ток покоя выходных транзисторов в диапазоне 50-200мА. Меньше делать нет смысла из-за роста кроссоверных искажений. Больше – также нет смысла из-за роста потребления и тепловыделения. Разумеется, выходные транзисторы Q1Q3 и термостабилизирующий транзистор Q2 должны быть расположены на радиаторах. Следующая конструкция, которую я хочу Вам представить – двухканальный вариант с защитой от постоянного напряжения на выходе.

Q7

BC

847

R42

R43

+VC

C2

+

C13 10

0.0x

63V

D3

4148

+C25

100.

0

(c) 2007 A

lex Torr

es

R31

D44148

C7

0.1

Q10 ?

Q11 ?

Q3

2SJ1

62

J13

1

R18

120k

J11

1

R14 10

R

Mut

e

R12

?

R5

10k

Q52n2222A

U1

LME4

9810

1 2 3 4 5

68

10

12 11 1314

15

97C

lipF

L

MU

TE

GN

D

IN+

IN-

Com

p

Ose

nse

-VE

E

Bia

sP

Bia

sM

Sin

k

Sou

rce

+VC

C

nc2

nc1

-VE

E1

J1M

ute

12

-VE

E2

R4

?

R10

2k2

-VE

E2

J6 CO

N3

1 2 3

R19

120k

R41Q

9?

GN

D

+VC

C2

R26

2k2

Mut

e

C27

10n

C10

0.1

R27

5k

+

C2 10

0.0x

63V

U3

TL43

1

D9

LED

C20

0.1

Q12

D5

4148

C15

47p

J91

R13

0.2R

G=25

R17 1k

R6

1k

R45

?

R28

J14 1

R47

100k

R49

110k

C12

0.1

+C

1133

0.0x

16V

GN

D

C5

47p

R48

110k

+C

2347

.0

C3

0.33

R22

1k

R30 10

R

J31

Q6

2SJ1

62

Q4

2SK

1058

C18

18p

D24148

-VE

E1

R3

120k

J10

1

R34

120k

R1

?

U2

LME4

9810

1 2 3 4 5

68

10

12 11 1314

15

97C

lipF

L

MU

TE

GN

D

IN+

IN-

Com

p

Ose

nse

-VE

E

Bia

sP

Bia

sM

Sin

k

Sou

rce

+VC

C

nc2

nc1

R44

?

J81

+

C26

47.0

R36

220k

R20

+VC

C1

R2

?

R15

?

R39

54k

R7

?

+

C19 10

0.0x

63V

R33

1k

L21u

H

R46

?

R37

220k

D10 18

V

+C

2447

.0

Q1

2SK

1058

+C

2133

0.0x

16V

R35 54

k

J51

L11u

H

C17

0.1

Dua

lB

A

LME

4981

0

A3

12

Tues

day,

Sep

tem

ber

04,

2007

Title

Size

Doc

umen

t N

umbe

rR

ev

Dat

e:S

heet

of

Q22n2222A

D8 LE

D

R21

10k

R16

24k

C6

18p

R11

5k

C14

4.7

R8

0.2R

OU

T2

D11

4148

+

C9 10

0.0x

63V

J12

1

R38

54k

C4

4.7

J71

C8

18p

C1

0.1

R9

24k

R25

24k

Q8

BC

847

R23

R24

0.2R

+C

2247

.0

D1

15V

R40

D7

4148

C16

18p

R32

24k

D6

4148

R29

0.2R

OU

T1

J41

J21

Плата размером 90х90мм рассчитана на использование как с биполярными, так и с полевыми транзисторами на выходе, в корпусах ТО-220, ТО-247 и других. Возможна также установка предвыходных биполярных транзисторов. Поскольку вариантов много и описывать их все долго, я свел их в таблицу. Резистор стабилизатора цепи Мьют конструктивно состоит из двух последовательных резисторов. Это сделано для возможности использования высокого напряжения питания усилителя. В описанной выше одноканальной плате этот резистор один. При максимальном питании(+-100в) - рассеиваемая на нем мощность несколько превышает допустимую для 0805. Светодиод D9, установленный на плате, служит для индикации наличия питания при наладке усилителя. Это удобно, но его конечно можно не ставить. Питается он через резистор R45, величину которого нужно выбрать в зависимости от напряжения питания усилителя и требуемого для светодиода тока. Я полагаю, что собирающиеся сделать такой усилитель, в достаточной мере владеют законом Ома, чтобы рассчитать его самостоятельно. (Аналогично и резистор R44 в схеме защиты). Таблица вариантов:

Вариант Выходные транзисторы Q1,Q3, Q4, Q6

Предвыходные транзисторы Q9, Q10, Q11, Q12

Резисторы R40, R41, R42, R43

Резисторы R7, R12, R23, R28

Резисторы R4, R15, R20, R31

Резисторы R8, R13, R24, R29

Один-два полевых на выходе

полевые Не устанавливать 100-500 Ом 24к 100ом 0.1-0.2 Ом

Три и больше полевых на выходе с пред выходным

полевые Устанавливать Не уст. 1к5 0-5 Ом *) **) перемычка

Биполярный выход с дарлингтонами

Дарлингтон Не устанавливать 0-5 Ом **) Не уст. 0-5 Ом **) 0.2-0.3 Ом

Биполярный выход Биполярные Устанавливать Не уст. 470 Ом 0-5 Ом **) перемычка

*) - требуется установка отдельных резисторов 100-500 Ом на каждый транзистор в gate. **) - установка резистора 0-5 Ом или проволочной перемычки ***) - требуется установка отдельных резисторов 0.1-0.33 ома в source каждому транзистору

Конкретно данная плата была использована в первом варианте для усилителя НЧ-канала биампинговой системы с активной коррекцией и показала очень неплохие результаты. Остальные варианты были отмакетированы но пока в реальных конструкциях небыли использованы. Поэтому – если будут какие замечания и уточнения, пожалуйста е-мейлом. Тип выходных и предвыходных транзисторов зависит от требуемой выходной мощности и напряжения питания. Указанные на схеме транзисторы 2SK1058/2SJ162 можно использовать при питании до +-80в, FQP7N20/FQP7P20 или FQP12N20/FQP12P20 – можно применять до максимума (+-100в) при установке нескольких параллельно, для обеспечения тока и теплоотдачи. Среди биполярных транзисторов можно посоветовать прекрасную пару, работающую при максимальном питании – 2SC5200/2SA1943, 2SA1493/2SC3857, при +-75в – 2SC4278/2SA1633. Неплохие результаты показала пара дарлингтонов - MJ11021G/MJ11022G. В предвыходном каскаде можно использовать при

максимальном питании - 2SA1380/2SC3502, MJE340/350, при сниженном до +-75в – 2SC2073/2SA940, при сниженном до +-50в - 2SB647A/2SD667A. Схемы этих четырех вариантов изготовления показаны ниже:

Q10

?

R102k2

350R

R130.2R

R40

0R

R150R

R80.2R

R121k5

Q10

?

0.2R

Q1

Q1?

Q3

0.2R

R15 0R

Q3

R102k2

R80R

Q9?

R130.2R

350R

R130.2R

R41250R

R4 100R

R15 1R

350R350R

R1224k

350R

R724k

Q1

Q13

?

R80.2R

R40250R

Q1?

R80.2R

Q1

0.2R

0.2R

R7

1k5

R4 0R

R130R

R102k2

R7470R

Q3

0.2R

350R

R80.2R

Q1

Q3

?

R15 100R

Q9?

R12470RR41

0R

R4 1R

R102k2

R4 0R

Q3

Схема защиты от появления постоянной составляющей на выходе усилителя собрана на транзисторах Q7Q8 и микросхеме U3, используемой как компаратор. Питание схемы защиты может быть как от питания самого усилителя через стабилизатор R46D10, так и внешнее (через контакт J13, при этом резистор R46 и стабилитрон D10 не устанавливаются). Основная проблема заключается в микросхеме U3 (TL431), у которой максимальное допустимое напряжение 36 вольт. Поэтому предлагается следующее – или используется внешнее питание 24в, и U3 непосредственно управляет реле, коммутирующим нагрузку. Или же используется питание самого усилителя, а U3 включает реле, питаемое от отдельного источника. По разным причинам, может потребоваться гальваническая развязка между усилителем и источником питания реле, тогда U3 может включать оптрон, который в свою очередь включает реле через транзистор или TL431. Возможные варианты показаны на рисунке ниже:

U3

TL431

LS1

34

5

68

7

12

LS2

34

5

68

7

12

J71

R46

?

J131

J81

J91

+-

V124V

12

U4

TL431

+-

V224V

12

ISO1?

21

54

J141

R46

?

J61

OUTPUT

J21

LS3

34

5

68

7

12

J41

J101

D1018V

J151 R3

5k1

J31

J121

J111

D1018V

OUTPUT

OUTPUTJ5

1

J11

U3

TL431

+VCC2

U3

TL431

R2

30k

+-

V324V

12

+VCC2

R1?

На рисунке не показано, но надеюсь, что все понимают, что реле должно быть зашунтировано диодом, во избежание… Перейдем к печатной плате. Она также односторонняя, с несколькими перемычками-скобками. Рассчитана на установку СМД резисторов 0805 (за исключением R20, R31 и R46 – для упрощения трассировки их было лучше поставить обычного («трухольного») типа.

Собранная плата перед установкой в корпус усилителя:

Приведенные рисунки печатных плат никоим образом не служат для изготовления по ним самих плат (методом ЛУТ или заводским) – воспользуйтесь для этого пикадовским файлом с моего сайта [7], тем более, что там всегда самый свежий файл, а если изменения будут незначительные, я не буду отражать их в картинках приведенных выше. Идеи на будущее: я прорисовал несколько интересных вариантов, кое-что отмакетировал, но в целом это еще предстоит. На рисунке ниже показана предварительная схема усилителя на LME49810 с выходом на мосфетах, защитой от постоянного напряженияна выходе, триггерной защитой от превышения тока через выходные транзисторы и регулятором уровня, описанным в [8]. Защита от постоянного напряжения на выходе здесь реализована несколько по иному, но принцип тот же. При срабатывании защиты от превышения тока, через оптроны снимается смещение с выходного каскада, блокируется прохождение сигнала на выход по цепи»мьют» и отключается нагрузка

R32

510R

-+

U2A

TL08

2

321

84

C7

0.1

R10

R22

0.1

R2625k

-15V

ISO

2

1 2

5 4

Q6

2SJ1

62

+5V

R1

220k

GN

D

D3 LE

D

+

C5

47.0

R5

330k

+15V

C12

0.1

R_I

N

U1

TL43

1

C17 0.

1

R23 10

R

ISO

1

1 2

5 4

C9

100n

J11

Q1

BC

847

Q2

BC

847

R24

2k2

R13

Q8

?

+C

16 100.

0x63

V

+

C6

100.

0x63

V

C15

100n

R25

1k

INPU

T

R12

10k

J31

+C3

100.

0

Q3

2SK

1058

Rema

rk:

PIC

12C6

71/6

72,

PIC1

2F67

5

+15V

R6

110k

R33

1k

U5

PIC

12C

671

1

47

8

65 3 2

VCC

GP

3/M

CLR

GP

0/A

N0

GND

GP

1/A

N1

GP

2G

P4

GP

5

R14

0.1

+VC

C

R27

510R

C1

4.7

R2925k

R30

2k

J2

1

VOL

AG

ND

-VE

E

C10 18

p

C4

10n

Q7 ?

R7

30k

+C8

100.

0

Q4

2n22

22A

J51

GN

D

R19

10k

+C

247

.0

+C18

100.

0

R17

2k2

R9

20k

L_IN

BAl

CH

2

J61

R18

5k

R28

R31

2k

D1

4148

R3

1.0

U4

PG

A23

10

16 9

14 11

12

418

5

1510

13

7 3 6 2

IN1

IN2

OU

T1

OU

T2

VCC

VDDZCEN

-MUTE

DGND

AG

ND

AG

ND

VSS

DO

DT

CLK

CS

-VE

E

OU

T

R20

R21

2k2

R8

20k

R2

110k

ISO

3

1 2

5 4

R4

54k

D5CENTER

J41

U3

LME4

9810

1 2 3 4 568

10

12 11 1314

15

97C

lipF

L

MU

TE

GN

D

IN+

IN-

Com

p

Ose

nse

-VE

E

Bia

sP

Bia

sM

Sin

k

Sou

rce

+VC

C

nc2

nc1

SW

1M

UTE

AG

ND

+5V

Q5

?

D2 LE

D

+C

1410

0.0

C11

18p

R15

24k

R16 1k

C13

100n

-15V

R11 12

0k

L11u

H

D4MUTE

Еще может представить интерес – гибрид LME49810 (или ее «старшей сестры – LM4702) с выходной частью на N-канальных мосфетах, разработанной Алексеем Никитиным: Теперь – обещанная ложка дегтя. Драйвер LME49810 дает возможность строить достаточно мощные (до 1кВт и больше, на низкоомную нагрузку) усилители достаточно высокого качества. Но я никак не могу рекомендовать эту микросхему для любительского творчества, так что – триумфа LM3886 (4780) в этот раз не получится. При невысоких (до 50Вт) мощностях вообще нет особого смысла в ее применении, при высоких – усилители с многоступенчатым питанием или цифровые (класс-Д) - лучше. В любительских условиях, не для озвучивания дискотек, клубов и стадионов – такие высокие мощности могут понадобиться разве что для сабвуферов, где высокое быстродействие и низкий КНИ этой микросхемы не так уж необходимы. Построение на ней усилителя, может оказаться более сложной задачей, чем включение пары LM3886 в мост или изготовление усилителя на дискретных элементах. Микросхема достаточно миниатюрна – шаг выводом около 1мм. Для любителя будет проще сделать печатную плату для дискретных транзисторов, а даже сделанную (например - по приведенным в этой статье платам) заводским способом – в случае выхода микросхемы из строя, риск повреждения тонких дорожек и контактных площадок достаточно велик. Микросхема достаточно «нежная», и чуть что – выходит из строя. При том, что она не такая и дешевая. Так что, эксперименты с ней проводить в любительских условиях несколько опасно. Можно рекомендовать использовать готовые «киты» с готовыми заводскими печатными платами, отработанной схемотехникой и обязательно цепями защиты. Высоковольтное питание – это не шутки, особенно при значительной емкости конденсаторов в блоке питания. Их энергии более чем достаточно чтобы спалить и выходные транзисторы, и микросхему, и дорожки на печатной плате! Ставьте хотя бы предохранители МЕЖДУ электролитами блока питания и платой усилителя! Стандартная «даташитовкая» схема не содержит защиты от короткого замыкания в нагрузке, а это довольно распространенное событие. Установленная в одной их схем выше, триггерная защита от превышения тока может помочь – я ее испытывал при коротком замыкании при выходной мощности 10Вт, но, честно говоря – я пока так и не решился сделать это при максимальной мощности. Жалко было микросхему и плату. Литература и ссылки: [1] LM3886 - http://www.national.com/ds.cgi/LM/LM3886.pdf [2] LM4780 - http://www.national.com/ds.cgi/LM/LM4780.pdf [3] AN-1192 - http://www.national.com/an/AN/AN-1192.pdf [4] LM4702 - http://www.national.com/ds.cgi/LM/LM4702.pdf [5] LME49810 - http://www.national.com/ds.cgi/LM/LME49810.pdf [6] AN-1645 - http://www.national.com/an/AN/AN-1645.pdf [7] Схемы и платы- http://altor.sytes.net/Articles/ProjFilesSoft/projfilessoft.html [8] Регулировка громкости, часть 1 - http://altor.sytes.net/Articles/Vol_Control_1/vol_control_1.html