Усилитель на LM1876
Tags: [amp]
Некоторое время назад я разместил здесь материалы, посвящённые созданию усилителя на базе микросхемы TDA7265, который несмотря на свою простоту способен обеспечивать высококачественный звук. Многие полагают, что применение микросхемы ограничивает качественные возможности усилителя, так как весь его «звуковой потенциал» заложен производителем в кристалле. В связи с этим они считают, что усилители на дискретных компонентах могут продемонстрировать более высокие характеристики. Да, но действительно ли все заложенные в неё возможности используются на сто процентов? Например, если мы берём микросхему, соединяем всё согласно схеме производителя, можем ли мы гарантировать, что получим характеристики, соответствующие её потенциалу, или существуют определенные ограничения? Прежде всего, схема, представленная производителем в документации, не является самой продвинутой. Она ориентирована на достижение стабильных и повторяемых результатов в условиях массового производства техники и тут не ставится цель выжать максимум. Во-вторых, соединить компоненты можно по разному. Можно так, что всё будет «заводиться и возбуждаться», а можно и наоборот, создать конструкцию, обеспечивающую отличную работоспособность. В данном случае конструктивные особенности оказывают значительное влияние на итоговый результат. И первый и второй пункт могут быть предметом для дальнейшей работы.
Если схема усилителя на TDA7265 была взята из документации производителя, то плата получилась весьма качественной. С момента публикации мною было сделано два завершённых усилителя и распаяно пять плат, которые разошлись по рукам моих знакомых, на которых усилитель произвёл положительное впечатление. И вот, когда заказанные для него заводские платы почти закончились, мне пришла в голову идея сделать нечто аналогичное, но на базе другой микросхемы с более продвинутой схемой включения и с качественной платой.
Для этого проекта я решил выбрать микросхему LM1876. Чем обусловлен такой выбор? Эта микросхема, выпущенная ещё компанией National Semiconductor принадлежит к серии «Overture», что свидетельствует о высоком качестве звука и её музыкальности. В эту серию также входит такая легендарная микросхема, как LM3886 и двухканальная LM4780. На сегодняшний день, цена на LM3886 значительно выросла, а LM4780 больше не производится. Поэтому, если не требуется высокая мощность, LM1876 может быть хорошим выбором для домашнего применения. Микросхема имеет выходную мощность до 22 Вт на канал, обладает встроенной защитой от перегрева и перегрузки на выходах. У меня есть в наличии несколько экземпляров LM1876, да я запасливый :). К тому же, микросхема достаточно распространённая и не дорогая, мне не встречались подделки, в отличии от популярной LM1875.
Мне действительно нравятся двухканальные микросхемы, так как они снижают затраты на создание усилителей. В отличие от моноблочных конструкций, для их питания необходим лишь один трансформатор, который является дорогостоящим электронным компонентом, а также требуется меньше диодов и конденсаторов. Однако для достижения хорошего результата требуется внимательный и продуманный подход к проектированию печатной платы. Хотя создание качественной двухслойной платы значительно проще, в данном проекте я выбрал однослойную плату, чтобы её можно было изготовить как на заводе, так и в домашних условиях, например, с использованием метода ЛУТ. Я уделил значительное время разработке данной платы и сделал несколько предварительных вариантов трассировки. Итоговый результат представлен на этом рисунке:
Выбор схемы включения
Что такое микросхема УНЧ? По сути это мощный операционный усилитель (ОУ), вернее в данном случае их пара. Это обстоятельство определяет выбор схемы подключения. В большинстве случаев используется неинвертирующее включение, которое предлагается в документации от производителя, которому присуще достаточно высокое входное сопротивление, позволяющее просто согласовать усилитель, например, с регулятором громкости. Но и есть большой минус у такого включения — присутствие электролитического конденсатора в цепи обратной связи, который негативно влияет на звук (но без него будет постоянная составляющая на выходах), а также присутствие синфазной составляющей на входах, которая снижает точность работы узла сравнения (дифкаскада) микросхемы, ухудшая работу обратной связи. Возможен и другой вариант — инвертирующее включение. Что это даст? Устранение недостатков неинвертирующего включения, а если кратко — субъективно лучшее звучание. Единственная серьёзная проблема при этом — низкое входное сопротивление, но она решается установкой буфера.
В узком кругу «аудиофилов» есть такая форма душевного расстройства известна одна очень удачная разработка на микросхеме LM3886, которую предложил пользователь с ником Аudiоmаniас на форуме Вегалаб [1, 2]. Её отличает продуманная конструкция ИЗДЕЛИЯ В ЦЕЛОМ, но при этом, простая и понятная схемотехника на основе инвертирующего включения микросхемы LM3886 и буфера на операционном усилителе. Эту концепцию можно реализовать, используя другие микросхемы, включая ту, которую выбрал я. При этом настройка не потребуется, и усилитель будет функционировать корректно после правильной сборки. Это не отменяет инструментального контроля, разумеется. На мой взгляд, выбранная мной схема является оптимальной с точки зрения себестоимости, качества и сложности (качество при этом действительно на высоком уровне). Я не вижу практического смысла усложнять конструкцию применительно к данной микросхеме, хотя в интернете можно встретить как минимум один подобный проект [3]. Конечно композитные схемы обладают более высокими характеристиками, однако требуют грамотного проектирования, контроля устойчивости после сборки, а в случае необходимости, и корректировок. Это может оказаться затруднительным для многих из-за нехватки соответствующих инструментов и квалификации.
Итак, переходим к практической части — вот полная схема усилителя на LM1876, соответствующая представленной плате:
Как можно заметить, схема нарисована для одного канала, нумерация в скобках относится ко второму каналу. RC-фильтры R1, C1; R2, C2 защищают входы от проникновения высокочастотных радиопомех, резисторы R3, R4 определяют входное сопротивление. Соотношением (R7/R5)+1; (R8/R6)+1 определяется усиление ОУ OP1 в 3 раза, но самое важное здесь то, что входы ОУ имеют высокое сопротивление, а выходы низкое, поэтому он является буфером для последующего усилителя с низким входным сопротивлением. Конденсаторы C3, C4 нужны для ограничения полосы усиления ОУ на высоких частотах. Сигнал с выходов OP1 поступает на инверсные входы OP2, усиливаясь ещё в 12 раз (согласно соотношению R11/R9; R12/R10). Цепочки Буше-Цобеля (R13, C5; R14, C6) — обычно все ставят их на выходы. В общем, это очень простая схема.
Питание реализовано классическим образом: трансформатор с двумя вторичными обмотками, соединёнными «0 в середине», выпрямительный мост и конденсаторы разных типов в отрицательном и положительном плече. Для подавления коротких выбросов в момент закрывания диодов выпрямителя установлен снаббер (R21, C19, C20). Для питания ОУ и сервисных цепей используются интегральные стабилизаторы: VR1 — 79L12 в отрицательном, VR2 — 78L12 в положительном плече. Если вы зададите вопрос, почему нельзя было просто использовать стабилитроны, я отвечу так: если питать только одну микросхему ОУ, то стабилитронов будет достаточно. Однако, если к источнику питания подключены и другие потребители, и ток потребляется неравномерно в разных плечах, то предпочтительнее использовать интегральные стабилизаторы. Я не поддерживаю мнение, что интегральные стабилизаторы портят звук.
Я задействовал выводы «MUTE» микросхемы LM1876, чтобы реализовать функцию задержки подключения звука при включении питания усилителя. У самого усилителя не наблюдается заметных звуков переходных процессов при включении. Однако, если мы решим использовать совместно с усилителем, например, регулятор тембра или активный фильтр, который при подаче питания издаёт на своих выходах нежелательные звуковые артефакты, такие как щелчки или шумы, эти звуки попадут на входы усилителя, будут усилены и затем прозвучат через колонки. Если совместно с усилителем будет использоваться устройство защиты акустических систем с задержкой подключения, то часть схемы, отвечающую за данную функцию можно исключить, не распаивая на плате соответствующие элементы.
Как это работает? Чтобы включить режим «MUTE» (заглушить звук) нужно подать на выводы 6 и 11 микросхемы напряжение свыше 2.5 В. Когда подаётся питание на усилитель, загорается светодиод HL1 и на его аноде устанавливается напряжение, равное его прямому падению (у синего светодиода оно составляет примерно 3 В). В этот момент происходит отключение звука. Как только выходное напряжение стабилизатора VR2 превысит 10 В, стабилитрон VD5 откроется, и через резистор R19 начнёт заряжаться конденсатор C21. Когда напряжение на конденсаторе достигнет порога открытия транзистора VT1, он зашунтирует светодиод HL1. Это приводит к снятию напряжения с выводов 6 и 11 микросхемы, что отключает режим «MUTE». Длительность процесса занимает около секунды, её можно корректировать подбором ёмкости конденсатора C21. При отключении усилителя, когда напряжение на выходе стабилизатора VR2 опускается ниже 10 В (переходные процессы еще не начались), стабилитрон закрывается. В результате конденсатор C21 быстро разряжается через резисторы R18, R19 и диод VD6. Транзистор перестает шунтировать светодиод HL1, и процесс отключения проходит незаметно.
Детали и конструкция
На схеме (соответственно и на плате) отсутствуют разделительные конденсаторы, потенциометр регулятора громкости и RL-цепочки на выходах. Разделительные конденсаторы необходимо добавить, если у источника сигнала есть доля постоянной составляющей на выходах, их ёмкость достаточна в пределах 1-2,2 мкФ. Если будет использоваться потенциометр, его сопротивление желательно выбирать не более 20 кОм, потенциометр ставится после разделительных конденсаторов. Частота среза RC-фильтров на входах выбрана достаточно высокая, чтобы она не «плавала» вблизи верхних границ звукового диапазона в зависимости от положения движков потенциометра. Я рекомендую такие же цепочки подключить прямо на входные клеммы усилителя, а уже от них подать сигнал на разделительные конденсаторы.
Чтобы обеспечить минимальную постоянную составляющую на выходах, в качестве буфера предпочтительнее использовать сдвоенные операционные усилители, входные каскады которых выполнены на полевых транзисторах. Например, OPA2132, OPA2134, AD823, OPA1652 и им подобные, в корпусе для поверхностного монтажа. Такой тип корпуса «защищает» конструкцию от применения ОУ советского производства и других устаревших приборов, которые ещё лежат в спичечных коробках у опытных радиолюбителей.
RL-цепочки желательно ставить прямо на выходные клеммы, подальше от входов, так как они излучают помехи. Сделать их самостоятельно совсем не сложно.
Наибольшее значение имеют характеристики конденсаторов (C9, C10), находящиеся ближе всего к микросхеме. Рекомендуется использовать электролиты с низким ESR [1]. Лучшим выбором будет Panasonic FC. Важно отметить, что диаметр конденсаторов, для которых рассчитана печатная плата, составляет 12,5 мм. У выбранных конденсаторов этот параметр соответствует требованиям. Однако выпускаются конденсаторы диаметром 13 мм, которые не смогут разместиться на плате. Остальные электролиты могут быть как «общего применения», так и «аудио применения» — это уж кому как нравится.
Для питания потребуется трансформатор с двумя вторичными обмотками, обеспечивающими выходное напряжение в диапазоне 12—18 В переменного тока. Рекомендуемая мощность трансформатора составляет 60 VA. При использовании нагрузки в 4 Ом лучше не превышать значение выходного напряжения более ±18 В, чтобы избежать перегрева и появления искажений от подрабатывания токовой защиты микросхемы.
Выбор диодов для аудио устройств — это тема, вызывающая множество споров. Существуют различные мнения о том, какие типы диодов лучше подходят для аудио. Этот вопрос активно обсуждается на профильных форумах. Например, вот цитата из одной публикации в интернете [4]:
Выходит, что суперфаст диоды на самом деле в выпрямителе для усилителя и нафиг не нужны и никакой реальной пользы от них нет (зато они более «нежные» и хуже выдерживают перегрузки по току в отличие от «медленных»). А вот диоды Шоттки иногда бывают очень даже полезны, но не быстродействием своим, а низким прямым падением напряжения. Естествено, это справедливо только для «аналоговых» выпрямителей, работающих с частотой сети 50 Гц. Но с другой стороны, если говорить о высококачественных усилителях, то только такие источники питания туда и нужны — импульсные источники и Hi-Fi несовместимы!
Публикация написана квалифицированным автором и содержит обоснованные данные, что вызывает доверие. Поэтому я не буду давать свои рекомендации по выбору, оставляю это на ваше усмотрение. Однако важно отметить, что выбранные диоды должны быть рассчитаны на ток не менее 3 А и обратное напряжение 100 В.
Если нет желания возится с изоляцией фланца микросхемы OP2 слюдяными прокладками, используйте LM1876TF, но теплопроводность изолированного корпуса будет хуже. В любом случае, радиатор должен быть соединен с землёй.
При монтаже платы нужно не забыть припаять перемычку со стороны дорожек под микросхемой, как показано на крайнем фото.
Вместо микросхемы LM1876 по идее можно использовать LM4765 или LM4766, но только при условии, что элементы цепи «MUTE» не будут распаиваться на плате.
Список элементов, использованных в проекте
Микросхемы:
OP1 — OPA1652; корпус SOIC-8
OP2 — LM1876
VR1 — 79L12
VR2 — 78L12
Диоды, стабилитроны, светодиоды, транзисторы:
VD1, VD2, VD3, VD4 — SF52
VD5 — 1N5237; Стабилитрон 8,2V; корпус DO-35
VD6 — 1N4148; Диод; корпус SOD-123
HL1 — TO-2013BC-BF; Светодиод синий; SMD 2013
VT1 — 2N7002; Транзистор MOSFET N-канал; корпус SOT-23
Резисторы SMD 1206:
R1, R2, R18 — 1K
R3, R4 — 100K
R5, R6 — 4,7K; 1%
R7, R8 — 10K; 1%
R9, R10 — 2,7K; 1%
R17 — 3,3K
R19 — 220K
Резисторы выводные:
R11, R12 — 33K; 0,25 Вт; 1%
R13, R14 — 10; 0,5 Вт
R15, R16, R21 — 47; 0,5 Вт
R20 — 2,2K; 0,25 Вт
Конденсаторы SMD 1206:
C1, C2 — 220pF
C3, C4 — 10pF
C13, C14, C17, C18 — 0,1uF; Murata C0G
C21 — 2,2uF; X7R
Конденсаторы плёночные, шаг выводов 5мм:
C5, C6 — 0,1uF; WIMA MKP2
C19, C20 — 0,47uF; WIMA MKS2
Конденсаторы электролитические:
C7, C8 — 4700uF 35V; Nichicon FW
C9, C10 — 1000uF 35V; Panasonic FC
C11, C12 — 220uF 35V; Epcos B41851
C15, C16 — 100uF 25V; Samwha RD
Для чего вообще может понадобится такой усилитель? Я вижу несколько вариантов его применения. Например, в качестве усилителя к колонкам советского производства или от музцентра, которые можно за недорого купить на «барахолке». Для замены встроенного усилителя в мультимедийной акустике с целью улучшения качества звука. Как усилителя СЧ и ВЧ звена для акустических систем с активными фильтрами.
Фото
Скачать
- Гербер-файлы для заказа платы на производстве: 1876GERB.zip
- Файл для самостоятельного изготовления платы: PCB-1876-LUT.pdf
- Документация (Datasheet): LM1876-NSC.zip
Ссылки
- https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=13106
- http://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=58364
- https://mysku.club/blog/usa-stores/75012.html
- https://electroclub.info/articles/stati-punkt-3/fast-diod/