Принципиальная схема входных и предварительных усилителей, фильтров и компаратора показана на рис. 5 (см. в архиве здесь).
В качестве входных усилителей сигналов правого (INPUT R CH) и левого (INPUT L CH) каналов, подаваемых через разъемы RCA101-A/B, используются два операционных усилителя (ОУ) U101-A/B (TL072CP). Входные сигналы на их инвертирующие (выв. 2, 6) и неинвертирующие (выв. 3, 5) входы поступают через разделительные конденсаторы С101, С103 и С102, С104.
Сигналы с выходов этих ОУ (выв. 1,7) подаются на ОУ (U105) того же типа. Усиленные сигналы с U105 (выв. 1,7) подаются на выходные разъемы RCA101-C/D (OUTPUT R/L CH) для подачи их на другие устройства аудиосистемы.
Далее выходные сигналы с ОУ U101-A/B объединяются и подаются на ОУ Ш02-В (выв. 6-7) (TL072CP). Нагрузкой ОУ является резистивный регулятор громкости VR101-A R116. Сигнал с регулятора VR101-A через ОУ Ш02-А (выв. 3-1) поступает на регулируемый усилитель IC101 (выв. 14) типа NJM 13600, второй канал в данной ИМС не используется. Микросхема содержит также буферные выходные каскады, обеспечивающие улучшение на 10 дБ отношение "сигнал/шум" и уменьшение нелинейных искажений. Усиленный сигнал с ОУ этого канала (выв. 12) подается на буферный каскад в составе ИМС (выв. 10-9) и далее, через ОУ U103-A (выв. 3-1) (TL072CP) - на регулируемый ФНЧ (VARIABLE LPF) Ш03-В. Регуляторы VR102-А/В ФНЧ обеспечивают плавную перестройку частот среза. За счет этого можно исправить некоторые дефекты АЧХ в области стыка полос, практически не прибегая к использованию эквалайзера. После ФНЧ сигнал поступает на устройство BASS BOOST, которое по принципу действия имеет сходство с параметрическим эквалайзером и содержит звено ФВЧ, частота среза и добротность которого регулируются. В устройстве используется фильтр Баттерворта, АЧХ которого максимально гладкая на частотах полосы пропускания и снижается практически до нуля на частотах полосы подавления.
Регулируемый ФВЧ, совмещенный с однополосным усилителем уровня низких частот BASS BOOST (изменения идут в сторону увеличения громкости на частоте 45 Гц), используется для подавления резонанса салона (120...160 Гц) или для компенсации провала АЧХ на частотах 250...350 Гц. Система построена на микросхеме Ш04-А/В (включает в себя два ОУ). Плавная регулировка частоты среза и добротности производится регулятором VR-103-А.
Далее сигнал INPUT подается по цепи: выв. 3-1 ОУ U501-A (TL074CN) - выв. 13 U501-D. Также на выв. 13 U501 подается суммарный сигнал обратной связи с выхода сумматора П501-В (выв. 7), на входы которого (выв. 5, 6) приходят сигналы обратной связи FB+/- с выходных каскадов усилителя мощности (см. рис. 7).
Положительная обратная связь в сабвуфере вводится для дополнительного подъема усиления на нижних частотах (обычно в диапазоне 60...100 Гц). Сигналы FВ+ и FR- снимаются с конденсаторов С185, С385 соответствующих делителей (см. рис. 7) и подаются на упомянутый ОУ U501-B, выходной управляющий сигнал которого изменяет коэффициент усиления ОУ U501-D.
Для дальнейшего рассмотрения схемы рис. 5 необходимо сделать отступление и вспомнить далеко не новую идею, на которой основана работа усилителей класса D. Основная задача здесь заключается в том, чтобы транзисторы выходных каскадов работали в ключевом режиме: либо они полностью закрыты, ток через них не течет и тепло не выделяется, либо они находятся в состоянии насыщения (полностью открыты) и тепла тоже выделяется немного, поскольку падение напряжения минимально. Для достижения такого режима в усилителях класса D используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ).
Выходные каскады в усилителях класса D работают в ключевом режиме. Управляющая схема преобразует входной аналоговый звуковой сигнал в последовательность импульсов ШИМ, управляющих мощными выходными каскадами (ключами). Выходной LC-фильтр, включенный между ключами и нагрузкой, усредняет импульсный сигнал,восстанавливая звуковой сигнал.
Рис. 6. Структурная схема усилителя класса D
Рассмотрим структурную схему усилителя класса D (рис. 6). Входной звуковой сигнал и сигнал генератора пилообразного напряжения подаются на аналоговый компаратор и инвертор, формирующие прямоугольные импульсы ШИМ, далее усиливаемые силовыми ключами и подаваемые на громкоговоритель через ФНЧ, который из импульсного сигнала выделяет НЧ огибающую. Частота генератора пилообразного сигнала выбирается значительно выше относительно верхней частоты в спектре звукового сигнала.
Назначение компаратора - сравнение уровней двух сигналов, поступающих на его входы. Как только напряжение на одном из входов сравняется, а потом и превысит напряжение на другом входе, выход компаратора переключится из "высокого" состояния в "низкое". Допустим,постоянная составляющая на "звуковом" входе компаратора равна половине высоты "пилы", тогда ширина импульса будет составлять ровно половину цикла (скважность равна 2). Если низкочастотный сигнал имеет в данный момент положительную полярность, то переход в ноль произойдет несколько позже и импульс станет шире. Когда же напряжение на "звуковом" входе станет меньше среднего, то импульс, наоборот, будет уже.
Чтобы перейти к двухтактной схеме, полученный сигнал ШИМ дополняется его зеркальным отражением, для чего и служит инвертор. Теперь два таких сигнала направляются на согласующие усилители, которые управляют ключами на полевых транзисторах.
Вернемся теперь к схеме рис. 5. Генератор пилообразного напряжения собран на специализированной микросхеме U503 типа F16 и ОУ U501-C. К выв. 10, 11 ИМС U503 подключен кварцевый резонатор Х501 (2,56 МГц), в ее составе также имеется делитель частоты. На выходе U503 (выв. 5) формируются прямоугольные импульсы типа "меандр" (скважность равна 2) размахом 12 В (см. осциллограмму). Узел в составе RC-фильтра, U501-Cи Q501 преобразует прямоугольные импульсы в пилообразные (размахом ±1,4 В, см. осциллограмму).
Этот сигнал поступает на один из входов (выв. 4) еще одной специализированной микросхемы U504 типа В52, выполняющую роль компаратора и инвертора. На другой вход этой микросхемы (выв. 3) приходит сигнал звуковой частоты с выхода ОУ U501-D (выв. 14). На выходах компаратора (выв. 11,9) формируются разнополярные прямоугольные импульсы ШИМ, которые по цепям G+/- поступают на драйверы и усилители мощности. Каскад на транзисторе Q503 формирует смещенное на -2 В напряжение общего провода, подаваемое на выв. 10 микросхемы U504. Положительное напряжение питания этой микросхемы +3 В формируется стабилизатором U505 Q502 из напряжения +12 В. Таким образом, общее напряжение питания микросхемы фактически равно +5 В. Такая относительно сложная система питания ИМС организована для того, чтобы обеспечить разнополярность выходных сигналов компаратора на ее выв. 11,9 (Q+=+2,85 В, Q-=-1,92 В, см. осциллограмму).
УМЗЧ представляет собой преобразователь энергии источника питания постоянного тока в энергию переменного, форма которого копирует входной сигнал. Входной сигнал - слабый по напряжению и по мощности, а на выходе требуется точно такой же, но гораздо мощнее. Выходные транзисторы в этом случае работают как управляемые резисторы (вентили), которые открываются и закрываются в такт звукового сигнала и посылают ток от источника питания в нагрузку (громкоговорители)в необходимом в данный момент количестве. Транзисторы при этом, как уже было сказано, изменяют свою проводимость от максимальной до минимальной. В тот момент, когда амплитуда сигнала достигает напряжения питания, через транзистор течет большой ток, но, поскольку его сопротивление минимально, тепла почти не выделяется. Тогда же, когда мгновенное значение выходного напряжения невелико, на транзисторе "падает" все напряжение питания, но его сопротивление максимально, ток течет минимальный и рассеиваемая мощность по-прежнему мала. Промежуточное состояние, когда транзистор открыт частично и через него протекает большой ток и "падает" существенное напряжение, в усилителе класса D неприемлемо.
Рассмотрим принципиальную схему усилителя мощности, приведенную на рис. 7 (см. в архиве здесь). Поскольку усилитель мощности выполнен в виде двух абсолютно одинаковых схем, на вход каждой из которых по соответствующим цепям G+/- поступают разнополярные последовательности прямоугольных импульсов с выв. 11 и 9 микросхемы U504 (см. рис. 5), рассмотрим только одну из них, изображенную в верхней левой части рис. 7.
Каждый выходной каскад представляет собой два независимых усилителя - для положительной полуволны сигнала (ею открывается транзистор n-p-n-проводимости Q201)и для отрицательной (транзистор p-n-p-проводимости Q202). Сигналы с коллекторов каждого из них подаются на драйверы, каждый из которых, в свою очередь, выполнен на двух парах соединенных параллельно транзисторов разной проводимости (комплементарные пары): Q203, Q205 и Q204, Q206 в верхнем плече и Q208, Q210 и Q207, Q209 - в нижнем.
Драйверы обеспечивают усиление напряжения, необходимое для последующего усилителя тока, выполненного на полевых транзисторах. Их применение в усилителе мощности позволяет значительно повысить качество звучания. Передаточная характеристика полевых транзисторов близка к линейной, поэтому в спектре выходного сигнала практически отсутствуют четные гармоники. Кроме того, происходит быстрый спад амплитуды высших гармоник (почти как в ламповых усилителях), что позволяет применять в усилителях на полевых транзисторах неглубокую отрицательную обратную связь или вовсе отказаться от нее.
Выходной каскад реализован на полумостовой схеме, в которой для положительной полуволны сигнала используется три параллельно соединенных полевых Р-канальных транзистора Q211-Q213типаIFR9540, а для отрицательной - два параллельно соединенных полевых N-канальных транзистора Q217, Q218 типа IFR540. Сигналы соответствующей полярности подаются на затворы этих транзисторов с выходов драйверов.
Усиленный импульсный сигнал с размахом каждого полупериода 38 В (см. осциллограмму) с истоков полевых транзисторов проходит через ФНЧ на элементах L4-А, С212, L3 (1-4), С221 (последний восстанавливает форму звукового сигнала). Далее через замкнутые контакты 1,3 реле REL1 и параллельно соединенные контакты 1,3 разъема TER2 сигнал подается на соответствующий вывод громкоговорителя (или двух соединенных параллельно громкоговорителей). На другой вывод громкоговорителя сигнал подается через ФНЧ (L4-В, С312, L3 (2-3), С221) и параллельно соединенные контакты 2, 4 разъема TER2.
Поскольку выходные каскады питаются двухполярным напряжением ±35,11 В (VCC/VEE), нагрузка подключается к выходному каскаду без разделительного конденсатора. Транзисторы Q260-Q263 управляют подключением/отключением нагрузки усилителя. На базу транзистора Q262 в рабочем режиме от головного аппарата через средний контакт разъема TER1 подается управляющий сигнал REMOTE. Транзистор открывается, атранзи-сторы Q260, Q261 закрываются, через обмотку 2, 5 реле REL1 ток не протекает, его контакты 1,3 нормально замкнуты и громкоговоритель подключен. При отсутствии сигнала REMOTE за счет протекания тока через обмотку и размыкания контактов громкоговоритель отключается.
Сигнал RELAY предназначен для отключения нагрузки усилителя при аварийных режимах. Транзистор Q263 при поступлении на его базу команды RELAY от схемы защиты замыкает базу транзистора Q262 на корпус, в результате чего закрывается каскад на составном транзисторе Q260 Q261, происходит обесточивание катушки силового реле REL1 и, как следствие, отключается нагрузка усилителя.
Транзисторы Q270, Q271 формируют сигнал отклонения постоянной составляющей выходного сигнала усилителя мощности от центральной оси и защиты от короткого замыкания в нагрузке OFFSET. Увеличение постоянной составляющей на базе транзистора Q270 свыше 0,22 В приводит к его открыванию и, как следствие, к уменьшению напряжения OFFSET, что приводит к открыванию транзистора Q5 (см. рис. 3) и срабатыванию компаратора U2-A.
В истоковых цепях выходных транзисторов Q217, Q218 и Q317, Q318 установлены измерительные резисторы R240 и R340 соответственно, являющиеся датчиками выходной мощности каналов усиления. Сигналы обратной связи, пропорциональные выходному току (выходной мощности) с этих резисторов через резисторы R402, R403 подаются на инвертирующий вход (выв. 2) ОУ Ш401-А (KIA393P). С его выхода (выв. 1) сигнал подается на выв. 6-7 Ш401-В и далее - на детектор уровня D403 С408 Q401.С детектора сигнал через формирователь Q402, Q403 и через цепи, состоящие из токоограничительных резисторов R420-R423 и диоды D405-D408, поступают на входы каждого из плечей оконечных усилителей. Тем самым достигается стабилизация выходной мощности усилителей.
Автомобильные усилители имеют еще одну особенность. Обычно компоненты аудиосистемы удалены друг от друга и для их соединения используются относительно длинные сигнальные кабели. Чтобы исключить образование чувствительного к наводкам паразитного контура (длина "земляных" проводников в автомобиле может достигать 10 м и более), приходится принимать специальные меры. Прежде всего, нужно стремиться к тому, чтобы в системе была единственная точка соединения с корпусом (кузовом). Для уменьшения уровня помех общий провод входных цепей блока питания и общий провод его выходных цепей имеют полную гальваническую развязку или связаны через общий резистор. Таким резистором в нашей схеме является зашунтированный конденсатором С43 резистор R44 (см. рис. 3 слева внизу), через который соединены силовая "земля" (обозначена на схеме чертой и треугольником под ней) и слаботочная (обозначена на схеме треугольником). Такой прием используется для минимизации проникновения помех из сильноточных цепей в слаботочные.
Подсоединение усилителя
Типовая схема подключения усилителя в автомобиле приведена на рис. 8.
Рис. 8. Типовая схема подключения усилителя в автомобиле
На рис. 9 показано расположение разъемов питания (POWER) и подсоединения громкоговорителей (SPEAKER OUTPUTS) на корпусе усилителя.
Рис. 9. Расположение разъемов питания (POWER) и подсоединения громкоговорителей (SPEAKER OUTPUTS) на корпусе усилителя
Прежде всего, необходимо соединить проводом минимальной длины и большого сечения контакт GND разъема POWER (TER1) с ближайшей общей точкой металлического кузова автомобиля. Для надежности соединения используют звездчатую гроверную шайбу. Нужно стремиться к тому, чтобы в системе была единственная точка соединения с корпусом (кузовом), но это условие не всегда можно выполнить.
Контакт +12V разъема соединяют с плюсовым выводом аккумуляторной батареи через предохранитель 60 А (для его установки используют специальный держатель, в который предохранитель устанавливают только после подсоединения провода и закрутки винтов). Средний контакт REM разъема соединяют с головным аппаратом для подачи управляющего сигнала REMOTE, предназначенного для включения рабочего режима усилителя.
Необходимо убедиться, чтобы все провода не проходили рядом с нагревающимися поверхностями.
На рис. 10 показаны два способа подключения НЧ громкоговорителей (вуферов) к контактам разъема SPEAKER OUTPUTS (TER2): двух громкоговорителей (слева) и одного (справа). Подсоединение громкоговорителей должно произво-диться многожильным проводом (не менее 16 жил).
Рис. 10. Способы подключения громкоговорителей к усилителю
В последнее время широкое распространение получили импортные провода и инструменты с маркировкой AWG (American Wire Gauge - американский калибр проводников). Калибр провода по стандарту AWG отражает размер токонесущей жилы. Так, для рассматриваемого в статье усилителя рекомендуется использование провода, как минимум, 6 AWG, который характеризуется приблизительным диаметром 4,11 мм и площадью сечения 13,3 мм2.
Литература
1. GTO Series 601.1. 1-Chanel Power Amplifier. Service Manual. JBL Consumer.
Автор: Александр Седов (г. Москва)
Источник: Ремонт и сервис