28.03.21

[Домашняя]

В статье приведены результаты измерений основных характеристик популярных микросхем усилителем мощности TDA7294 и TDA7293 - АЧХ и ФЧХ, а также АЧХ при максимальной амплитуде выходного сигнала (мощностная АЧХ) и скорости нарастания выходного напряжения. Приводится модель микросхемы, построенная на основе проведённых измерений. Микросхема TDA7294 [1] и её чуть более "продвинутый" вариант — TDA7293 [2] уже два десятилетия успешно применяются для построения усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ), как любительских, так и профессиональных. Усилители, собранные на этих микросхемах, позволяют получить параметры качества, превосходящие многие УМЗЧ конца XX века (кроме выходной мощности) и ряд моделей XXI века. Однако отсутствие подробной информации о частотных свойствах микросхем не позволяет максимально использовать их возможности. В данной статье приведены результаты измерений частотных и скоростных параметров самой микросхемы УМЗЧ. Использование этих параметров поможет разрабатывать усилители, максимально использующие положительные её качества и смягчающие отрицательные. Знание амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо-частотных (ФЧХ) характеристик особенно полезно для анализа устойчивости усилителей на микросхеме и расчёта необходимой частотной коррекции при увеличении глубины отрицательной обратной связи (ООС) выше рекомендуемого производителем значения. В этом случае в схему усилителя и петлю общей ООС обычно, кроме самой микросхемы УМЗЧ, входят ОУ и одна или несколько цепей местной и общей частотной коррекции. Повышение глубины ООС таким способом заметно смокает нелинейные искажения усилителя, но обеспечить при этом устойчивость усилителя и хороший вид переходного процесса — задача достаточно сложная. В усилителе, охваченном отрицательной обратной связью, собственные свойства микросхемы изменяются, так как обратная связь улучшает их на величину глубины ООС. В результате свойства усилителя определяются не только и не столько свойствами самой микросхемы, сколько цепью обратной связи. Разрывать же цепь ООС для измерения параметров микросхемы в "чистом виде" не рекомендуется. Поэтому автор выбрал метод измерения параметров микросхемы, позволяющий, с одной стороны, не разрывал цепь ОOC с другой стороны — дающий более достоверные результаты. Схемы измерений показаны на рис 1 [3].

Микросхема включается в режим инвертирующего усилителя с резисторами R1 и R2 в цепи ООС. На высоких частотах, где коэффициент усиления значительно снижается, можно произвести прямое измерение входного и выходного напряжения микросхемы (рис. 1,б). На низких частотах, где коэффициент усиления микросхемы высокий, непосредственно измерить её входное напряжение с требуемой точностью не представляется возможным. Поэтому была использована схема измерений, показанная на рис. 1,а. Напряжение на инвертирующий вход микросхемы подаётся через делитель напряжения Rд1,Rд2, а входное напряжение измеряют на входе делителя. При достаточно большом коэффициенте деления, напряжение U, имеет значение, вполне подходящее для проведения измерений с хорошей точностью. Сопротивление нагрузки было выбрано равным 75 Ом. Это, с одной стороны, позволило создать достаточно большой выходной ток амплитудой 200 мА, чтобы выходной каскад микросхемы работал в режиме большого сигнала (с точки зрения выходного тока), создавая условия работы, близкие к реальности. С другой стороны, существенно снижается нагрев микросхемы, что уменьшает погрешности, связанные с влиянием температуры кристалла на её параметры. Питание усилителя производилось от лабораторного стабилизированного источника с напряжением 2x30 В и максимальным током 3 А, чтобы просадки нестабильность и пульсации питания не сказывались на результатах измерений. Для измерений использовался генератор RIGOL DG1022 с максимальной частотой генерации 20 МГц и разрядностью ЦАП, формирующего сигнал, равной 14 бит, а также цифровой осциллограф RIGOL DS2102A с полосой пропускания до 100 МГц. Логарифмические АЧХ и ФЧХ микросхемы TDA7293 показаны на рис. 2.

На графиках указаны точки, в которых производились измерения. Форма АЧХ соответствует классическому усилителю топологии Лина (Lin Н. М.) [4], на ней хорошо видно два наиболее низкочастотных полюса. Частота первого, самого низкочастотного полюса — около 25 Гц, частота второго — около 4 МГц. ФЧХ также соответствует классической, однако при типовой схеме включения микросхемы в области инфразвуковых частот (менее 7 Гц) на ФЧХ наблюдается нехарактерный для подобных усилителей излом и переход в область положительного сдвига фаз, когда выходной сигнал опережает по фазе входной сигнал. Скорее всего, это влияние вольтодобавки, используемой в усилителе и формирующей положительную обратную связь небольшой глубины. При проведении измерений автор использовал конденсатор вольтодобавки повышенной ёмкости, поэтому ФЧХ получились гладкими и классическими. Аппроксимация измеренной логарифмической АЧХ показана на рис. 3.

Хорошо видны частоты полюсов, а также крутизна спада АЧХ на трёх участках, составляющая соответственно 0 дБ/декаду, 20 дБ/декаду и 40 дБ/декаду. На рис. 4 и рис. 5 показаны АЧХ и ФЧХ, снятые подобным образом на четырёх экземплярах микросхем TDA7293 и четырёх экземплярах микросхем TDA7294.

Точки, в которых производились измерения, для большей наглядности графиков не показаны. Для измерений использовались микросхемы, приобретённые в разное время в течение последних пяти—семи лет у разных продавцов. На основе результатов проведённых измерений можно сделать ряд выводов.

1.         Графики, соответствующие микросхемам одного типа, ложатся "кучно-. Следовательно, микросхемы в производстве имеют стабильные параметры. Впрочем, это не удивительно, за то время, которое выпускаются эти микросхемы, видимо, технологический процесс был хорошо отлажен.

2.         Стабильность параметров указывает на то, что среди исследованных микросхем нет контрафактных экземпляров. Все исследованные TDA7294 были выпаяны из усилителей, которые работали стабильно, не возбуждались, и демонстрировали хорошие параметры, т. е. оригинальные микросхемы работают хорошо.

3.         Микросхемы TDA7294 обладают несколько худшими частотными свойствами по сравнению с микросхемами TDA7293. Особенно хорошо это демонстрирует ФЧХ.

4.         Полученные результаты, а также наличие у микросхемы TDA7293 узлов, отсутствующих в микросхеме TDA7294, позволяют с большой долей уверенности утверждать, что разные типы микросхем не являются результатом разбраковки, и различие характеристик обусловлено их разной конструкцией. В таком случае микросхема TDA7293 не просто превосходит микросхему TDA7294 по таким параметрам, как максимально допустимое напряжение питания и выходная мощность, но и имеет более совершенную конструкцию. Поэтому можно рекомендовать вообще отказаться от применения микросхемы TDA7294. Все дальнейшие результаты относятся к микросхемам TDA7293, имеющим более высокие показатели качества и чаще рекомендуемым к применению. Все исследованные экземпляры микросхем обоих типов продемонстрировали очень близкие результаты. Параметры микросхем TDA7294, если и оказались немного хуже, но эта разница была не настолько значительна, чтобы её было необходимо специально продемонстрировать. То есть можно сделать примерно такой практический вывод в отношении микросхемы TDA7294: эта микросхема практически аналогична микросхеме TDA7293, но по некоторым параметрам уступает. Известно, что измерение АЧХ усилителей имеет особенность — для этих устройств характерны две АЧХ, которые могут иметь заметные различия.

1.         Малосигнальная АЧХ. Она измеряется при выходном напряжении на один-два порядка меньшем, чем максимальное. При таком измерении игнорируется такой динамический параметр усилителя, как максимальная скорость изменения выходного напряжения. В результате АЧХ получается очень широкой, и верхняя граничная частота усилителя при таком измерении может достигать весьма больших значений. Мало- сигнальная АЧХ является очень хорошим рекламным показателем, поэтому применяется широко.

2.         Мощностная АЧХ, часто называемая мощностной полосой пропускания. Она измеряется при выходном напряжении, близком к максимальному. Такая АЧХ зачастую получается более

узкой, чем малосигнальная. Верхняя граничная частота усилителя при этом зачастую получается заметно ниже, чем в малосигнальной, поэтому такая АЧХ измеряется и публикуется редко. Однако именно она полноценно характеризует частотные свойства усилителя при любом входном сигнале. В любых условиях работы УМЗЧ обладает частотными свойствами не хуже тех, которые демонстрирует мощностная АЧХ. В приведённых выше измерениях показаны АЧХ достаточно близкие к мощностным. В области звуковых частот амплитуда выходного напряжения была около 10 В. На более высоких частотах амплитуда устанавливалась максимально возможной, но при условии сохранения синусоидальной формы выходного напряжения. График на рис. 6 показывает зависимость максимального выходного напряжения микросхемы от частоты при проведении одного из измерений.

Снижение амплитуды выходного сигнала на частотах выше 100 кГц происходит вследствие ограниченной скорости нарастания выходного напряжения. На рис. 7 красной линией с маркерами точек измерения показаны результаты измерения мощностной АЧХ.

Судя по этому графику, верхняя граничная частота при максимальной амплитуде выходного сигнала — около 90 кГц. Синяя линия на графике — выходная мощность на нагрузке 4 Ом, соответствующая измеренному выходному напряжению. На звуковых частотах максимальная выходная мощность микросхемы, ограниченная её динамическими свойствами, — примерно 90 Вт, снижаясь на частоте 100 кГц до 40 Вт. Однако приведённые измерения не совсем корректны. Они производились при стабилизированном напряжении питания микросхемы, равном 30 В. Это не позволило получить максимально возможный размах выходного напряжения. Поэтому на рис. 7 тонкой чёрной линией показана аппроксимация мощностной АЧХ при максимально возможном напряжении питания и, следовательно, максимально возможном выходном напряжении. Как видно из графика, даже в этом случае верхняя граничная частота равна 50 кГц, что перекрывает звуковой диапазон. Таким образом, частотные свойства микросхемы позволяют обеспечить высокое качество звучания во всём звуковом частотном диапазоне с любой допустимой выходной мощностью без ограничений по скорости нарастания выходного напряжения. И даже имеется значительный запас. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения — это параметр, позволяющий оценить вероятность возникновения динамических нелинейных искажений (TIM) в усилителе на микросхеме TDA7293 (TDA7294). Наличие таких искажений — одна из причин неприятного "транзисторного" звучания некоторых усилителей. Динамические искажения возникают при недостаточной скорости нарастания выходного напряжения усилителя, если эта скорость оказывается меньше, чем скорость изменения входного напряжения, приведённая к выходу (т. е. умноженная на коэффициент усиления усилителя). В этом случае сигнал отрицательной обратной связи не успевает изменяться на требуемую величину, и возникает кратковременный разрыв петли ООС. Это приводит к кратковременной, но значительной перегрузке усилителя. Всплески искажений, вызванные такой перегрузкой, воспринимаются слушателем как неприятное, неестественное, "грязное” звучание. Существуют два основных метода измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения усилителя.

1. При подаче на вход усилителя прямоугольного сигнала, с амплитудой, близкой к максимальной. Скорость изменения у такого сигнала в принципе можно считать бесконечно большой. Усилитель отрабатывает такой входной сигнал в меру своих возможностей, и усиленный сигнал на выходе усилителя имеет трапециевидную форму. Боковые стороны этой трапеции как раз и показывают максимальную скорость изменения (нарастания и спада) выходного сигнала усилителя. Максимальная скорость нарастания, измеренная на прямоугольном сигнале, — это очень хороший рекламный параметр, потому что такой метод измерения даёт самое большое число. Но при реальной работе усилителя подобная ситуация, в принципе не должна возникать, поскольку при таком сигнале все каскады усилителя значительно перегружаются, а отрицательная обратная связь вообще не работает. Если попытаться воспроизводить звук, загнав усилитель в такой режим, результат получится просто ужасным. Задача состоит не в том, чтобы получить красивое рекламное число, а в том, чтобы определить максимальную скорость нарастания выходного напряжения микросхемы усилителя в таком режиме, который возможен при реальной работе, когда динамические искажения только-только начинаются, ООС практически не отключается, и звук искажается незначительно. Это будет предельное значение скорости нарастания, чуть ниже которого усилитель работает отлично, а выше которого уже начинаются искажения. Для этого лучше применить второй метод измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения.

2. На вход усилителя подают синусоидальное напряжение такой амплитуды и частоты, чтобы из-за ограничения скорости нарастания на выходном сигнале начальный участок синусоиды превратился бы в прямую линию. При небольшом увеличении входного напряжения синусоидальный сигнал на выходе превращается в практически треугольный с боковыми прямыми линиями. Наклон этих линий — отношение изменения напряжения к длительности нарастания или убывания напряжения и есть максимальная скорость нарастания выходного напряжения. На рис. 8 показаны входной (красная линия) и выходной амплитудой около 10 В (синяя линия) синусоидальные сигналы с частотой 200 кГц.

Синусоида искажена мало, её вершины сохраняют округлость, а значит, скорость нарастания выходного напряжения усилителя превышена ненамного. Непосредственно измерение, проведённое методом преобразования синусоидального сигнала в треугольный, показано на рис. 9.

Курсоры дают следующую информацию: напряжение изменяется на 44,52 В за время 4,97 мкс. В этом случае максимальная скорость нарастания выходного напряжения 44,52/4,97 = 8,96 В/мкс. Судя по рис. 8, скорости изменения выходного напряжения усилителя при возрастании и убывании напряжения равны (в реальности так и есть, эти скорости различаются незначительно, на уровне погрешности измерений). Поскольку при измерении усилитель был немного перегружен по скорости нарастания, можно принять, что исследуемый экземпляр микросхемы обеспечивает максимальную скорость нарастания не менее 8 В/мкс, что хорошо согласуется с параметрами, опубликованными производителем, а также с мощностной АЧХ на рис. 7. Надо отметить, что этот метод измерений может дать заниженное значение скорости нарастания, если усилитель недогружен по частоте, и синусоидальное напряжение недостаточно выродилось в треугольное. По мнению автора, такая ситуация не должна приниматься во внимание. Любое измерение или моделирование не должно давать результаты лучшие, чем есть на самом деле. В результате же этой погрешности получается, что исследуемая микросхема на самом деле лучше, чем мы о ней думаем, и усилитель, разработанный на основе её заниженных параметров, будет иметь больший "запас прочности”. Как определить, будет ли такая скорость нарастания выходного напряжения достаточной для качественной работы усилителя? Давайте определим, какая требуется скорость нарастания напряжения, чтобы обеспечить возможность воспроизведения синусоиды максимальной амплитуды и частоты. Максимальная скорость нарастания синусоидального напряжения Vмак определяется для максимальной частоты сигнала Fмак и максимальной амплитуды сигнала Uмак по формуле

Vмак=2ɲfмакUмак

За максимальную частоту Fмакc обычно принимают верхнюю частоту звукового диапазона, равную 20 кГц. Это неправильно, ведь если по какой-то причине на вход усилителя попадет более высокая частота с такой же амплитудой, наступит перегрузка усилителя по скорости нарастания выходного напряжения и возникнут динамические искажения. Правильным является использовать в качестве верхнюю граничную частоту усилителя по уровню -3 дБ. В этом случае, если скорость нарастания усилителя будет достаточной, динамические искажения вообще никогда не возникнут! Причина такова. Если частота сигнала будет больше частоты среза усилителя, амплитуда выходного сигнала усилителя уменьшится, ведь выше частоты среза коэффициент усиления падает. При этом скорость нарастания выходного сигнала усилителя, равная их произведению, останется практически неизменной. То есть скорость нарастания сигнала выше, чем определённая, исходя из вышеприведённых условий, быть не может. Это правило определения максимальной требуемой скорости нарастания выходного напряжения называется "критерий динамической линейности" [5]. Кстати, когда этот критерий выполняется, мощностная АЧХ усилителя (для сигнала максимальной амплитуды) совпадает с АЧХ малого сигнала. Если при разработке усилителя учитывать максимальную скорость нарастания выходного напряжения, чтобы критерий динамической линейности выполнялся, то верхняя граничная частота, соответствующая критерию, получается не очень большой, не более 40...80 кГц. Публикуемые же рекламные значения верхней частоты некоторых усилителей составляют сотни килогерц и даже единицы мегагерц. Такая информация вызывает сомнения: либо приводится малосигнальная полоса частот, либо в усилителе не приняты меры для предотвращения возникновения динамических искажений. Полученное в результате измерений значение скорости нарастания выходного напряжения микросхемы, равное 8 В/мкс, также выглядит "плохим рекламным параметром" по сравнению со значениями в десятки вольт в микросекунду у усилителей, заявленных как Hi-End. Тем не менее, такого значения вполне достаточно для работы микросхемы в любых режимах усиления без появления динамических искажений. На рис. 10 приведена зависимость максимальной амплитуды выходного напряжения, ограниченной скоростью нарастания, равной 8 В/мкс, от частоты усиливаемого сигнала (чёрная линия).

Как видно из графика, на частоте 20 кГц максимально возможная амплитуда превышает 60 В, что намного больше максимально возможного выходного напряжения микросхемы. Красная линия на графике — максимальная амплитуда выходного сигнала, которую способна "выдать" микросхема ТDА7293. С таким значением амплитуды микросхема может работать без появления динамических искажений вплоть до частоты 28 кГц. На рис. 10 зелёной линией показан пример использования этого графика при проектировании УМЗЧ на микросхеме TDA7293. Допустим, проектируемый УМЗЧ рассчитывается на получение максимальной выходной мощности Рмакс = 50 Вт на нагрузке Rн = 8 Ом. Тогда амплитуда максимального выходного напряжения определяется по формуле

Uмакc = (2PмаксRн),1/2 = (2*50*8),1/2 = = 28,28.

На графике строят горизонтальную прямую, соответствующую вычисленному напряжению (зелёная линия на рис. 10). Точка пересечения этой прямой с графиком максимального выходного напряжения по скорости нарастания (чёрная линия) даёт максимальное значение верхней граничной частоты усилителя, для которой выполняется критерий динамической линейности. В нашем случае это 45 кГц. Искусственно ограничив частотный диапазон проектируемого усилителя значением 40 кГц, можно быть абсолютно уверенным в отсутствии динамических искажений. На рис. 11 приведена осциллограмма меандра амплитудой 18 В и частотой 10 кГц, воспроизводимого усилителем на микросхеме TDA7293 с неглубокой ООС. Этот рисунок иллюстрирует хорошие динамические свойства микросхемы и апериодический характер переходного процесса.

На основании полученных результатов измерения АЧХ и ФЧХ микросхемы была построена её модель. Модель содержит пять полюсов, при их меньшем числе не удалось добиться совпадения модели с результатами измерений. Для моделирования каждого из полюсов можно использовать RC- цепи, оснащённые буфером, а можно отдельный идеализированный операционный усилитель. В обоих случаях получается пятикаскадная схема. Пример модели микросхемы TDA7293 на ОУ в программе Multisim показан на рис. 12.

Численные данные параметров модели приведены в таблице.

На рис. 13 приведено сравнение измеренных и смоделированных АЧХ и ФЧХ.

Расхождение ФЧХ в области ниже 20 Гц объясняется, скорее всего, влиянием конденсатора вольтодобавки в реальном усилителе. Надо отметить, что предлагаемая модель получена не на основе анализа конструкции микросхемы и протекающих в ней физических процессов, а эмпирически, на основе их внешних проявлений. Поэтому не исключена вероятность, что в некоторых "тонких" свойствах в области частот более 3... 10 МГц работа реальной микросхемы будет отличаться от результатов моделирования.

Радио №2 2021г стр. 15