Теория усилителей класса D, тест, обзор, осциллограммы

Двухканальный усилитель мощности звуковой частоты класса D на микросхеме PAM8403 с регулятором громкости - тест и обзор
 

Этот обзор откроет на данном портале серию материалов для радиолюбителей и всех тех, у кого руки растут из правильного места. :)

Итак, сегодня у нас в обзоре - плата усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ) класса D с регулировкой громкости. Получена она, естественно, из Китая; а ещё точнее - с небезызвестного Алиэкпресс (ссылка). Цена на дату обзора - ок. $0.8 (меньше доллара!). В дальнейшем цена может меняться, проверяйте!

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

Иногда для краткости в Интернете применяется краткое название таких устройств "усилитель звука", что физически не совсем верно, но всем читателям понятно. :)

В обзоре будут приведены технические характеристики стерео-усилителя D-класса PAM8403, кратко приведена общая теория усилителей D-класса, показаны осциллограммы работы усилителя и сделаны полезные выводы.

Все осциллограммы сфотографированы с экрана аналогового осциллографа с электронно-лучевой трубкой (он не имеет фиксированной частоты кадров и позволяет лучше отследить динамику процессов, чем цифровой осциллограф).

Усилитель PAM8403 - технические характеристики:

Примечание:
  * RMS (Rated Maximum Sinusoidal) - Максимальная (предельная) синусоидальная мощность - мощность, при которой усилитель или колонка может работать в течение одного часа без физического повреждения. Обычно именно она указывается как номинальная "приличными" производителями (а не пиковая - PMPO).

Полностью все характеристики и типовая схема включения PAM8403 указаны в техническом описании (datasheet) PAM8403 (PDF, 190 Kb). Кстати, в микросхемах усилителей серии PAM выходная мощность закодирована последними двумя цифрами в наименовании; в данном случае 03, т.е. 3 Ватта.

Из технических особенностей микросхемы надо отметить, что она предназначена для использования в схемах без выходного фильтра. Хотя на самом деле фильтр там всё равно "незримо присутствует" в виде собственной индуктивности подключаемых динамиков.

Рекомендуемое производителем напряжение питания - 5 Вольт. Оно как нельзя лучше совпадает с напряжением большинства зарядных устройств для "мобилок", планшетов и электронных книг.

Цена на момент составления обзора - около $0.8 с бесплатной доставкой, т.е почти ничего не стоит. :)
 

Теория усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ) D-класса (на примере PAM8403)

Идея создания усилителей D-класса родилась очень давно, но до массовой практической реализации элементная база и технологии производства микросхем "доросли" только в нашем веке.

Её смысл состоит  том, что самый энергетически выгодный режим работы транзисторов - ключевой (транзистор либо включен, либо выключен). Именно так работают современные блоки питания, например, в компьютерах.

КПД такого режима может составлять до 90%, что позволяет упростить систему охлаждения усилителя и даже совсем отказаться от неё.

Аналоговый сигнал в усилителях D-класса формируется при этом при помощи ШИМ (широтно-импульсной модуляции), постоянная составляющая которой и представляет собой полезный сигнал, отправляемый на динамики.

Практически все усилители D-класса работают по мостовой схеме включения нагрузки, так как при этом одновременно и упрощается схема формирования выходного сигнала, и увеличивается мощность, отдаваемая в нагрузку.

Посмотрим, как это происходит в тестируемом усилителе PAM8403.

При отсутствии сигнала оба плеча выходного каскада (положительное и отрицательное) выдают в нагрузку синхронные прямоугольные импульсы (фото с экрана двухлучевого осциллографа):

Здесь заметим, что, при отсутствии сигнала, благодаря синхронности импульсов, разница потенциалов между зажимами нагрузки равна нулю, и, соответственно, ток через нагрузку не течёт.

При подаче сигнала синхронность положительных и отрицательных полуволн нарушается: одни начинают удлиняться, а другие - укорачиваться:

В результате между зажимами на нагрузке возникает разность потенциалов, отличная от нуля, и через нагрузку идёт ток.

Теперь от теории немного отвлечемся к практике: эти осциллограммы (снятые с тестируемого усилителя)показали, что реальная частота ШИМ-а в нашем усилителе составляет не 260, а 500 КГц. Возможно, это связано с тем, что на тест попала модификация микросхемы с наименованием PAM8403A.

Теперь - ещё больше углубимся в практику и обратимся к внешнему виду тестируемого усилителя.
 

Внешний вид и конструкция усилителя D-класса на микросхеме PAM8403

Усилитель пришел на почту в пакете и просто был брошен в почтовый ящик без всяких извещений:

Внутри оказалась плата усилителя, шайба и гайка для его закрепления на стенке того устройства, в котором усилитель должен работать:

Никакой документации в комплекте не было, да она и не нужна: на плате всё расписано, что куда подключать.

Ручки для регулятора громкости в комплекте нет. О ней надо позаботиться отдельно (или снять с какого либо неиспользуемого устройства).

Как уже упоминалось, на плате оказалась микросхема не PAM8403, а PAM8403A. Впрочем, вряд ли между ними есть какие-то серьёзные отличия, кроме частоты ШИМ-а (больше - лучше).

Схема платы усилителя с высокой точностью соответствует рекомендуемой типовой схеме включения в описании (datasheet) микросхемы PAM8403 (см. ссылку выше). Самое главное - не забыт электролитический конденсатор по питанию на 470 мкФ.

Из отличий надо отметить самую крупную деталь на плате - регулятор громкости, совмещённый с выключателем питания. Регулятор "тупо и в лоб" установлен во входной цепи усилителя и подключен прямо к контактам входов правого и левого каналов. В принципе, для таких недорогих изделий иного не дано.

Номинал регулятора громкости - 50 кОм.

Выключение усилителя выключателем на самой плате - не лучший вариант, поскольку блок питания останется подключенным к сети и будет продолжать работать "вхолостую". Лучше выключать устройство, выключая (вытаскивая из розетки) сам блок питания.

Обратная сторона платы почти полностью занята слоем металлизации, соединённым с "землёй" питания, что очень грамотно и мило со стороны производителя:

В заключение осмотра надо сказать, что установка и пайка деталей на плате выполнена аккуратно, а контакты для внешних соединений удобны для пайки.
 

Испытания усилителя мощности звуковой частоты D-класса на микросхеме PAM8403

Перво-наперво было замерено потребление усилителя без подачи сигнала с установленным в "ноль" регулятором громкости.

Ток потребления холостого хода составил 21.2 мА без подключения нагрузки и 21.6 мА при подключении нагрузки на оба канала. В качестве нагрузки использовались древнесоветские динамики 4ГД-8Е с номинальным сопротивлением 4 Ом.

То, что при подключении нагрузки потребляемый ток изменился незначительно, свидетельствует о хорошем балансе нуля на выходе усилителя.

Далее - серия последовательных экспериментов с подачей синусоидального сигнала и постепенным увеличением мощности.

Выходной сигнал снимался с одного из плеч усилителя и для восстановления истинной формы сигнала пропускался через RC-фильтр (иначе бы осциллограф показал только прямоугольные импульсы, как на приведённых выше осциллограммах).

При уровнях сигнала на выходе примерно до 70% по напряжению (50% по мощности) от максимума на выходе наблюдаем практически идеальный синус:

При дальнейшем увеличении уровня сигнала "гламур" начинает портиться: верх начинает "заостряться", а низ - "затупляться". Но, на самом деле, в этом ничего страшного ещё нет: на противоположном плече есть такие же искажения, но с противоположным знаком, благодаря чему эти искажения частично взаимокомпенсируются:

При дальнейшем нарастании сигнала искажения становятся "угловатыми", что рождает большие нелинейные искажения с широким спектром гармоник:

Но и это еще не предел. При дальнейшем увеличении уровня сигнала искажения становятся всё краше и краше:

И, наконец, заканчивается всё картинкой с классическими искажениями типа "отсечка", что уже вполне законно и ожидаемо:

Теперь - коротко о других свойствах усилителя.

Нагрев усилителя даже на максимальной мощности - приемлемый. Измерить температуру такой миниатюрной микросхемы - сложно; но, судя по тому, что мой палец эту температуру "терпел", она была не выше 60 градусов. Теплоотвод не требуется.

Шум у усилителя - присутствует. При нулевом сигнале и регуляторе громкости в минимальном положении из динамиков был слышен небольшой шум. В этом - ещё одно отличие этого усилителя от высококлассных систем, в которых при нулевой громкости в колонках наблюдается просто "гробовая тишина".

Тем не менее, шум не настолько велик, чтобы мешать прослушиванию музыки. При включении реального сигнала шум полностью скрывался сигналом и заметен не был.

Коэффициент усиления, заявленный производителем (24 дБ = 16 раз), подтвердился.
 

Окончательный диагноз усилителя мощности звуковой частоты D-класса на микросхеме PAM8403

Протестированный усилитель не в полной мере оправдал ожидания, но это не значит, что он ни на что не годен.

Перечислим конкретно его достоинства и недостатки.

Достоинства:

- малое потребление в состоянии покоя;

- высокий КПД, умеренный нагрев, возможность работы без теплоотвода;

- возможность работы с низковольтными источниками питания, включая односекционные литий-ионные аккумуляторы;

- возможность питания от широко распространённых зарядных устройств для мобильных телефонов;

- наличие регулятора громкости;

- грамотная разводка платы, наличие электролита по питанию;

- удобство пайки и монтажа в какой-либо конструкции;

- очень малые габариты всей платы в сборе;

- очень низкая цена.
 

Недостатки:

- высокий уровень искажений при приближении к максимальной выходной мощности (малые искажения только до половины от максимальной мощности);

- заметность шумов в паузах сигнала.
 

Область применения:

- радиолюбительские конструкции с небольшой мощностью выходного звукового сигнала (в том числе - с автономным питанием);

- ремонт маломощных активных колонок (следим за соблюдением величины напряжения питания!);

- переделка пассивных колонок в активные.
 

Рекомендации:

- обращать внимание на качество используемого источника питания. При возможности, желательно выбрать источник питания с минимальными пульсациями под нагрузкой, так как в большинстве усилителей класса D они автоматически переходят в интермодуляционные помехи - не самые "страшные", но всё равно ухудшающие качество звука;

- использовать блок питания с максимально-допустимым током не менее 2 А, т.к. он должен быть рассчитан на максимальное мгновенное потребление по двум каналам одновременно.

Другие рекомендации перечислены в техническом описании (datasheet) микросхемы PAM8403 (рекомендуется к ознакомлению).
 

Интересный факт. Первоначально микросхема PAM8403 была разработана в 2008 году и выпускалась компанией Power Analog Microelectronics, Inc. В настоящее время эта компания приобретена компанией Diodes Incorporated, которая и продолжает выпускать эту микросхему. Информацию о микросхеме усилителя мощности PAM8403 можно найти на официальном сайте компании Diodes Incorporated.

Где купить: конечно же, на AliExpress.

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
 

Обзоры других усилителей класса D - здесь.

Обзоры усилителей класса AB - здесь.

Весь раздел "Сделай сам! (DIY)" - здесь.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

   Искренне Ваш,
   Доктор
   22 сентября 2019 г.
   Последнее обновление страницы - 15.03.2021.

При копировании (перепечатке) материалов активная ссылка на источник (сайт SmartPuls.ru) обязательна!