Усилитель мощности звуковой частоты D-класса на микросхеме PAM8610 (2x10 W) - интересное, но не универсальное решение

Обзор посвящен одноплатному стереофоническому мостовому усилителю мощности звуковой частоты (УМЗЧ, УНЧ) класса D на основе микросхемы PAM8610 номинальной мощностью 2x10 Вт (в микросхемах усилителей PAM последние две цифры в наименованиях - это и есть мощность на канал). В технической документации указана возможность работы и с мощностью выхода 2x15 Вт на нагрузке 4 Ом, но с обязательным теплоотводом (радиатором).

Усилители класса D получили популярность благодаря своему КПД, достигающему 90% и даже выше; что свойственно и этой микросхеме.

Теоретически, микросхема PAM8610 - сплошной позитив: она допускает работу и без выходных фильтров, и без теплоотвода. Тем не менее, среди радиолюбителей она имеет крайне противоречивую репутацию: одним она категорически нравится, другим - категорически нет.

Противники этой микросхемы жалуются, например, что она будто бы много шумит и мешает приёму FM-станций. Так ли это? В этих вопросах тоже будем разбираться!

В обзоре будут приведены технические характеристики микросхемы усилителя низкой частоты PAM8610, кратко разобраны особенности схемотехники тестируемого одноплатного усилителя, показаны осциллограммы работы усилителя, а также сделаны полезные выводы и критические замечания.

Купить плату усилителя на основе микросхемы PAM8610 можно на Алиэкспресс, например, здесь. Цена на дату обзора - около $4 с учётом доставки. В дальнейшем цена может меняться, проверяйте!
   Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

(Двухканальный мостовой усилитель низкой частоты на PAM8610; изображение с официального сайта AliExpress, реальное изображение будет иметь отличия)

Схема подключения платы усилителя - достаточно простая и очевидная. Тонкости работы будут изложены далее в обзоре.

Далее перечислены характеристики микросхемы PAM8610 "как таковой", без привязки к данной конкретной плате:

Усилитель D-класса PAM8610 - 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 типовые схемы включения PAM8610 указаны в техническом описании (datasheet) PAM8610 (PDF, 330 KB).

Типовая схема подключения PAM8610 выглядит так (взята из datasheet):

Схема подключения получается не очень простой из-за обилия навесных элементов; хотя большинство из них - разделительные и блокировочные конденсаторы. Исключение - RC-цепочка 120K и 200 pF, это - времязадающая цепь встроенного генератора импульсов.

Тем не менее, использовать эту микросхему в "голом" виде для самостоятельного монтажа не рекомендуется, хотя бы из-за очень малого шага между контактами (около 0.5 мм).

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

Внешний вид и конструкция одноплатного стерео усилителя класса D на микросхеме PAM8610 с однополярным питанием

Никакой документации в комплекте усилителя не было, но обозначений на самой плате достаточно для её правильного подключения.

По традиции посмотрим сначала на плату усилителя в двух наклонно-диагональных ракурсах:

(кликнуть для увеличения, откроется в новом окне)

Размеры платы - 48*43 мм, высота платы с элементами - 20 мм.

Все внешние соединения осуществляются с помощью клеммников и разъёмов, пайка не требуется, если только сам владелец не осуществит соединения пайкой для лучшей надёжности.

Здесь обратим внимание на несколько деталей.

Первая деталь - чёрный прямоугольный диод D1 чуть левее большого электролита. Этот диод выполняет классическую роль "защиты от дурака" (от переполюсовки питания).

Этот диод - с виду хороший, диод Шоттки (с малым падением напряжения в прямом направлении). Но, к сожалению, он - недостаточно мощный, и при работе усилителя на максимальной мощности падение напряжения оказывается довольно значительным (0.8 - 0.9 В); и сам диод при этом греется весьма существенно. Лучше его закоротить (при условии, что владелец обязуется никогда не перепутывать полярность питания).

Вторая интересная деталь - светодиод D2, тоже расположенный рядом с электролитом. Он только индицирует факт подачи питания, но и это тоже полезно. Цвет свечения - синий, без излишней яркости.

Вид с противоположной диагонали:

Большой электролитический конденсатор имеет номинал 2200 мкФ*25 В, что вполне разумно и достаточно.

Номинал переменного резистора регулировки громкости - 10 кОм.

Вид сверху:

На этой фотографии видна ручка регулятора громкости и крепёж для него же (всё это тоже было в комплекте поставки).

На плате заметно, что разъём питания и переменный резистор (регулятор громкости) припаяны слегка кривенько. При наличии паяльника и опыта работы с ним это - поправимо, но я махнул на это рукой: "И так сойдёт!". :)

На плате предусмотрены 4 отверстия для её фиксации в каком-либо устройстве. Это - очень мило со стороны производителя. Бывает, что производители забывают об этой "мелочи", и тогда вертишь в руках плату и думаешь: "Куда же тебя засунуть?!" В смысле: "Как же тебя закрепить?" :)

Ещё одна крайне интересная деталь: переменный резистор регулятора громкости - не обыкновенный (т.е. одинарный), а сдвоенный.

Казалось бы, всё соответствует логике вещей: раз усилитель - двухканальный (стерео), то и регулятор должен быть сдвоенным?! Но мир - не прост!

На самом деле этот в этом одноплатном усилителе используется электронная регулировка громкости (в микросхеме есть ответственный за это контакт), и для этого используется только половина этого сдвоенного резистора (дальняя от края платы).

Зачем производитель установил в таком случае сдвоенный резистор?! Сильно подозреваю, что просто для повышения механической прочности его крепления на плате (он удерживается не тремя контактами, а шестью).

На плате имеется белый двухконтактный разъём с наименованием "Short Mute". Наименование, как нельзя лучше, объясняет и его назначение, и способ управления.

Теперь пришла пора посмотреть на плату снизу:

Здесь, в общем-то, нет ничего интересного.

Можно только отметить, что металлизация на нижней стороне - почти сплошная и соединена с "Землёй", что весьма полезно для защиты от помех.

Испытания УНЧ класса D на микросхеме PAM8610

При измерениях использовались: импульсный лабораторный блок питания на 30 В (обзор), DDS-генератор сигналов FY6800 (обзор) и осциллограф Hantek DSO5102P (обзор).

Сначала был замерен ток покоя усилителя. Он составил 26 мА при напряжении питания 12 В (здесь и далее имеется в виду напряжение после диода "защиты от дурака").

Нагрев усилителя в состоянии покоя - очень небольшой, едва заметный на ощупь.

Было проверено минимальное напряжение работоспособности микросхемы, оно составило 5.9 В (после диода "защиты от дурака"). Естественно, это не может гарантироваться для всех экземпляров микросхемы; лучше ориентироваться на значение 6.5 В и выше.

При снятии осциллограмм звуковых сигналов для подавления сигналов ШИМ (широтно-импульсной модуляции) использовалась RC-цепочка с постоянной времени 10 мкс (1 кОм + 10 нФ). При боевом использовании усилителя эта цепочка не нужна.

Шумы усилителя оказались заметны, но только при установке уровня громкости на максимум, и если ухо вплотную придвинуть к динамику.

При этом в шуме была заметна некоторая систематическая составляющая (легкий призвук, промежуточный между шумом и свистом на частоте нескольких кГц). Зарегистрировать её форму на осциллографе не удалось, так так её уровень был ниже уровня проникновения ШИМ через фильтр.

В целом уровень шума можно оценить, как незначительный и не мешающий прослушиванию даже тихой музыки.
 

Осциллограммы выходного напряжения "как есть" (без RC-фильтра)

1. Осциллограмма при нулевом сигнале на входе (сигнал снимался не относительно земли, а между плечами выхода):

(здесь и далее - кликнуть для увеличения)

В состоянии покоя на выход подаются взаимоуравновешивающиеся импульсы от положительного и отрицательного плеча.

2. Осциллограмма при сигнале на входе синус 20 кГц, амплитуда на выходе ~40% от максимума:

В течение каждого полупериода исходного синусоидального сигнала возникает соответствующий "частокол" положительных или отрицательных импульсов.

Чтобы импульсы ШИМ на попадали на колонки, на выходе мощных усилителей обычно ставят LC-фильтры. А в маломощных усилителях роль фильтра выполняет звуковая катушка динамиков; именно так и работает тестируемый усилитель.

Кстати, если в звуковой колонке, кроме обычных динамиков, будут и пьезоизлучатели (бывают в очень дешевых колонках), то могут быть разные неприятные эффекты; в том числе с дымом и/или "бабахом". :)

Испытания на мощность и передачу формы сигнала

1. Синус 1 кГц, напряжение питания 12 В, амплитуда - максимальная (на грани клиппинга), нагружен один канал (8 Ом):

(кликнуть для увеличения)

Выходная мощность составила 8.1 Вт, КПД - 91.5%, что следует оценивать исключительно позитивно.

Однако же нагрев микросхемы стабилизировался на уровне около 72 градусов, что довольно много, если учесть, что нагружен был только один канал.

Тем не менее, поскольку в реальном звуковом сигнале средняя мощность намного ниже пиковой, использование микросхемы с нагрузкой 8 Ом без радиатора можно считать допустимым.

2. Прямоугольник 1 кГц, напряжение питания 12 В, амплитуда ~0.5 от максимальной, нагружен один канал (8 Ом):

На прямоугольнике оказалась лучше заметна "бахрома" от ШИМ-а, прошедшая таки сквозь фильтр. Но в целом сигнал довольно благопристойный.

Посмотрим на передний фронт этого же сигнала:

К сожалению, оценить качество фронта по этой картинке невозможно - он слишком растянут фильтром. А иначе (без фильтра) вообще ничего нельзя было бы увидеть, кроме частокола импульсов ШИМ.

3. Треугольник, пила и обратная пила на частоте 1 кГц, напряжение питания 12 В, амплитуда ~0.5 от максимальной, нагружен один канал (8 Ом):

Теперь, для порядка, проведём короткий по времени тест с нагрузкой 4 Ом.

Короткий - потому, что работа с такой нагрузкой приводит к быстрому нагреву микросхемы, что опасно для её здоровья и жизни (вспомним, что, согласно datasheet, работа с такой нагрузкой требует радиатора, которого на плате нет) .

1. Синус 1 кГц, напряжение питания 12 В, амплитуда - максимальная (на грани клиппинга), нагружен один канал (4 Ом):

Выходная мощность составила 12.8 Вт, а КПД снизился до 81.3%; из-за чего мощность, выделяемая на этой маленькой микросхеме, оказалась значительной, а нагрев - очень быстрым.

Но, поскольку весь эксперимент уложился в 5 секунд, ничего плохого не случилось. Чисто теоретически, микросхема имеет защиту от перегрева, но насколько успешно она работает, не проверялось.
 

Работа регулировки громкости в усилителе на PAM8610

Как уже упоминалось выше, в микросхеме работает встроенная регулировка громкости. То есть, внутри микросхемы имеется блок, осуществляющий преобразование напряжения в коэффициент усиления, а напряжение на управляющем входе задаётся переменным резистором. В этом случае на переменный резистор подаётся некое опорное напряжение, а резистор его регулирует и подаёт на управляющий вход микросхемы.

Более традиционная схема регулировки громкости - это когда на сам переменный резистор подаётся напряжение сигнала, а переменный резистор выступает в качестве делителя.

Согласно datasheet, регулировка громкости в усилителе PAM8610  - не плавная, а ступенчатая. Количество ступеней - 32, они регулируют усиление в пределах от минус 75 дБ до +32 дБ.

В качестве опорного напряжения для переменника регулировки громкости используется напряжение 5 В, которое берётся с выхода AVDD микросхемы (контакт 3).

Для проверки регулировки громкости на вход подавался синусоидальный сигнал 1 кГц, а к выходу был подключен осциллограф с медленной разверткой (0.4 с/деление). При этом я по возможности равномерно вращал ручку регулировки громкости в сторону увеличения.

И вот что получилось на осциллографе:

Равномерного движения оси переменника у меня не получилось, но картина на все 100% подтверждает наличие именно ступенчатой регулировки громкости.

При прослушивании монотонного сигнала (синуса) ступенчатость регулировки хорошо заметна, но при прослушивании реальной музыки она становится практически незаметной.

При этом обнаружилась проблема (видимо, решаемая): уровень максимальной громкости достигается раньше, чем ручка регулировки доходит до конца области вращения.

В результате примерно на последней четверти области вращения оси не происходит никакого изменения громкости (вращение вхолостую, т.к. максимум уже достигнут). Такая работа регулятора создаёт некоторый психологический дискомфорт в процессе регулировки (ручку вращаешь, а ничего не меняется!).

Возможные варианты решения проблемы:

1. Снизить опорное напряжение на переменнике, доработав плату вручную и добавив дополнительный резистор.

2. Просто установить громкость на максимум, а реально регулировать громкость с помощью внешнего сдвоенного переменника по "традиционной" схеме.
 

Амплитудно-частотная характеристика УНЧ на PAM8610

Амплитудно-частотная характеристики снималась методом подачи на вход сигнала с линейно-нарастающей частотой от 10 Гц до 30000 Гц; при этом записывалась осциллограмма в режиме медленной развёртки (8 с/деление).

И вот что получилось:

Один цикл прохождения полосы частот 10 Гц - 30 кГц обведён красной рамкой, он и представляет собой АЧХ в данном диапазоне.

АЧХ получилась превосходной, особенно в полосе до 20 кГц.

Небольшой завал в области высоких частот связан, видимо, не столько со свойствами усилителя, сколько с работой установленного на время снятия характеристик RC-фильтра.

Что касается характеристики в области низких частот, то полоса пропускания на уровне -3 дБ начиналась от 15 Гц, что очень неплохо.
 

Проверка на радиопомехи

Для этой проверки был проведён очень простой тест: к усилителю был подключен плеер с проверенным уверенным приёмом FM-станций.

Проверка подтвердила, что усилитель создаёт значительные помехи приёму FM-станций. Подавляющее большинство станций при этом стали работать с неприемлемым качеством звука.

Итог: усилитель не рекомендуется применять в комплексе с радиоприёмниками.
 

Окончательный диагноз одноплатного усилителя мощности звуковой частоты на микросхеме PAM8610

Протестированный одноплатный усилитель класса D на чипе PAM8610 показал себя с хорошей стороны, и его можно признать пригодным для применения в недорогих бытовых устройствах.

Он имеет неплохое звучание, отличную АЧХ, и, как и у всех усилителей класса D, высокий КПД.

В то же время применение в данном усилителе выходного каскада без LC-фильтров может сделать его источником радиопомех. Их максимальная интенсивность приходится на диапазоны длинных и средних волн; но спектр гармоник от импульсов с крутыми фронтами настолько широк, что они могут доходят и до диапазона FM.

В последнем случае они могут мешать приёму станций, особенно - с низким уровнем сигнала (удалённых от передающей станции).

Уровень помех можно снизить, если соединительные кабели до звуковых колонок сделать по возможности короче. А если динамики расположены в том же корпусе, что и усилитель, то ещё лучше (но вместе с приёмниками всё равно лучше не применять; для этого случая есть масса однокристалльных усилителей класса AB).

В целом же можно сказать, что не надо пугаться применения этого усилителя; но желательно учитывать его особенности, вскрытые в ходе тестирования (в том числе нюансы регулировки громкости).

Работу усилителя с нагрузкой 4 Ом без установки дополнительного теплоотвода можно считать допустимой только при пониженном напряжении питания (ориентировочно до 9 В).

Купить плату усилителя на основе микросхемы PAM8610 можно на Алиэкспресс, например, здесь. Цена на дату обзора - около $4 с учётом доставки. Если ссылку не видно, то отключите, пожалуйста, блокировщик рекламы для этого сайта!
   Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

При проведении тестов использовались: импульсный лабораторный блок питания на 30 В (обзор), DDS-генератор сигналов FY6800 (обзор) и осциллограф Hantek DSO5102P (обзор).
 

Обзоры других усилителей класса D - здесь.
 

Обзоры усилителей класса AB - здесь.
 

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

Дзен-канал Smartpuls.ru - интересно о технике (подписывайтесь, будет много интересного!)
 

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

   Искренне Ваш,
   Доктор
   11 августа 2021 г.

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