Снижение стоимости и доступность АЦП высокой разрядности и сигнальных процессоров способствовали появлению высококачественных усилителей мощности D-класса, основанных на широтно-импульсной модуляции. Работа выходных транзисторных каскадов в ключевом режиме таких усилителей позволяет в несколько, а порой и в десятки раз увеличить КПД, тем самым, снижая тепловыделение усилителя, его габариты и стоимость. Среди всех звуковых усилителей устройства класса D являются самыми экономичными, благодаря использованию цифровой обработки сигнала. Она исключает возможность появления искажений и шумов в предварительных трактах усилителя, упрощает и облегчает всевозможные линейные и нелинейные преобразования сигнала без использования механических регулировочных элементов, расширяет функциональность.

Предлагаемый читателям цифровой процессор звука совместно с четырьмя оконечными усилителями мощности звуковой частоты дает возможность собрать 4-канальный Hi-Fi-аудиоусилитель D-класса с максимальной выходной мощностью до 315 Вт в каждом канале. Схемотехника усилителя основана на базе микросхем Texas Instruments TAS5504 (цифровой звуковой ШИМ-процессор) и TAS5261 (мостовой цифровой усилитель).

Цифровой процессор звука

Мощность усилителя определяется напряжением питания выходных каскадов. Количество каналов усилителя – до четырех, а КПД достигает 96%. Функциональность устройства делает его доступным для использования в различных областях – от построения высококлассного стационарного усилителя для цифрового домашнего кинотеатра и заканчивая усилителем мощности для автомобильных аудиоприложений.

Цифровой процессор звука предназначен для предварительного аналого-цифрового преобразования звукового сигнала, последующей его цифровой обработки и модуляции в ШИМ-сигнал. Цифровая обработка позволяет избежать появления дополнительного шума, фона, искажений и щелчков при переключениях режимов работы. Кнопочное управление совместно с цифровым индикатором реализуют удобство и комфортность использования основных режимов работы процессора: регулировка громкости, режим «MUTE», управление защитой. Функция запоминания установленного пользователем уровня громкости усилителя позволяет избежать повторной его настройки при возникновении перебоев в питании процессора. Режим контроля и управления защитой от перегрузок, подключенных оконечных модулей, предопределяет высокую надежность и отказоустойчивость усилителя.

Общий вид цифрового процессора звука представлен на рис. 1.

 

Рис. 1. Внешний вид цифрового процессора звука

Подаваемый на вход процессора сигнал со звукового источника попадает на 24-разрядные двухканальные АЦП U2, U3, где оцифровывается с частотой дискретизации 96 кГц. Сформированные пакеты данных по последовательной шине передаются в цифровой ШИМ-процессор U4, выполняющий функции регулировки громкости и ШИМ-преобразования оцифрованного сигнала для последующего его усиления в оконечных усилителях-демодуляторах, выполненных на основе интегральной микросхемы TAS5261 с металлическим теплоотводом. Мостовая схема включения нагрузки в сочетании с однополярным питанием оконечных каскадов упрощают источник питания усилителя, позволяя питать схему напряжением от +5 до +50 В.

Ядром цифрового процессора звука является универсальный микроконтроллер Texas Instruments TAS5504, осуществляющий цифровое преобразование аналогового звукового сигнала, его предварительную обработку и коррекцию.

Для управления режимами работы усилителя и их индикации использован микроконтроллер фирмы Atmel Atmega8 (IC1). К нему непосредственно подключены кнопки управления усилителем, дисплей с динамической индикацией и ШИМ-процессор.

Основные элементы управления

Дисплей – четырех разрядный цифровой дисплей отображает общий для всех каналов уровень громкости в децибелах. Уровень 0 дБ соответствует номинальной выходной мощности усилителя при номинальном входном напряжении 1 В.

DOWN – кнопка уменьшения уровня громкости. При удержании кнопки уменьшение громкости ускоряется.

UP – кнопка увеличения уровня громкости. При удержании кнопки увеличение громкости ускоряется.

MUTE – кнопка временного приглушения звука. При повторном нажатии процессор переходит в нормальный режим.

ON/OFF – кнопка выключения/включения усилителя. В выключенном состоянии процессор переходит в режим пониженного энергопотребления, сигналы на выходах отключаются, индикация на дисплее отключается.

Светодиод, зажигающийся в выключенном состоянии процессора (усилителя).

Регулировка громкости осуществляется с помощью кнопок «UP» и «DOWN», соответствующим образом изменяется ее значение на дисплее в диапазоне: -100…+17 дБ.

Цифровой оконечный усилитель D-класса 315 Вт

Оконечные усилители представляют собой ШИМ-усилители-демодуляторы с мостовой схемой включения нагрузки (акустической системы). Широкий диапазон питающего напряжения оконечных каскадов определяет максимальную выходную мощность.

Общий вид выходного усилителя представлен на рис. 2, а принципиальная схема – на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема одноканального оконечного усилителя D-класса 315 Вт BM2071

Функционально усилитель мощности разделен на сигнальный процессор и отдельные модули усилителей-демодуляторов. В зависимости от потребностей пользователя к процессору можно подключить от одного до четырех оконечных усилителей, тем самым, определив число каналов усиления.

Технические характеристики оконечного усилителя BM2071

Воспроизводимый диапазон частот, Гц	10…40000
Выходная мощность, Вт	235 (Rнаг = 4 Ом, КНИ <0,15%) 315 (Rнаг = 4 Ом, КНИ <10%) 125 (Rнаг = 8 Ом, КНИ <0,09%) 220 (Rнаг = 6 Ом, КНИ <10%)
Сопротивление нагрузки, Ом	4…16
Диапазон регулировки громкости, дБ	-100…+17
Номинальное входное напряжение, В	1
Частота дискретизации входного сигнала, кГц	96
Соотношение сигнал/шум, дБ	-99
Общие гармонические искажения + шум, дБ	-93
Ток потребления в ждущем режиме не более, мА	10
Номинальное входное напряжение, В	1
Напряжение питания цепи  «+50 В», В	+(50)
Напряжение питания цепи «+12 В» стабилизированное, В	+12

Конструкция

Конструктивно усилитель выполнен на печатных платах из фольгированного стеклотекстолита. Компактная конструкция предусматривает установку платы процессора сигналов усилителя совместно с платами силовых модулей внутри корпуса размером не менее 15,5х4,5х14 см³ с вентиляционными отверстиями. Подключение процессора к блоку питания, оконечным модулям производится посредством гибких проводов к соответствующим выводам разъемов XS4…XS7. К источнику звукового сигнала подключение производится экранированными проводами.

Для питания процессора необходим стабилизированный источник питания, подключаемый к разъему XS2 и обеспечивающий ток нагрузки не менее 500 мА и напряжение +12 В.

Источник аналогового звукового сигнала амплитудой не более 1,5 В подключается к разъему XS3. Так как процессор поддерживает работу одновременно от одного до четырех каналов усиления, то в зависимости от числа используемых каналов требуется подключать соответствующие выходным модулям входные сигналы.

В целом, несмотря на высокую надежность и неприхотливость предлагаемого усилителя, в ряде случаев возможно срабатывание защиты от перегрузок. Встроенная система контроля и управления защитой выходных силовых каскадов, подключаемых к разъемам XS4…XS7, основана на анализе получаемых от них информационных сигналов перегрева и срабатывания защиты от электрических перегрузок. При получении сигнала перегрева процессор плавно снижает громкость на выходе усилителя, тем самым, предотвращая его дальнейший нагрев. Одновременно в правом нижнем углу дисплея начинает мигать точка, информирующая пользователя о переходе процессора в режим защиты усилителя от перегрева. После того, как силовой модуль переходит в нормальный режим работы, процессор плавно возвращает уровень громкости к значению, установленному пользователем. Важно отметить, что процессор переводит в режим защиты все подключенные силовые модули усилителя в независимости от того, с какого из них был получен сигнал перегрузки.

Рис. 4. Реализация 4-канального цифрового HiFi-усилителя

Пример практической реализации 4-канального УМЗЧ

На рис. 4 приведен вариант реализации (в демо-версии) 4-канального цифрового HiFi-усилителя для домашнего кинотеатра (процессор звука и четыре оконечных усилителя).

После сборки усилителя какой-либо наладки устройства не требуется. Необходимо лишь убедиться в правильности подключения модулей между собой, полярности сигналов и питающих напряжений.

Заключение

Чтобы избавить Вас от поиска электронных компонентов, изготовления печатных плат и проведения монтажа, МАСТЕР КИТ предлагает готовые блоки BM2072 (комплект «4-канальный процессор сигналов» и «Одноканальный оконечный усилитель D-класса с выходной мощностью 315 Вт») и BM2071 («Одноканальный оконечный усилитель D-класса с выходной мощностью 315 Вт»). В комплект каждого блока входит инструкция по эксплуатации.

Источник — http://www.compel.ru/lib/ne/2007/20/7-sovremennyiy-hifi-audiousilitel-na-baze-blokov-master-kit/

С. Галкин
Новости Электроники 20, 2007

---

BM2072 — Усилитель мощности 315 Вт c цифровым процессором звука. D-класс TAS5261

Модуль BM2072 – это готовый блок цифрового усилителя, состоящий из двух частей: блока предварительной обработки сигнала с регулятором громкости и оконечного усилителя. При этом к одному блоку обработки можно подключить до четырех оконечных усилителей. Цифровой процессор звука является неотъемлемой частью усилителя мощности. Количество каналов и мощность усилителя определяются потребностями пользователя и зависят от числа подключенных оконечных силовых модулей, а также их характеристик. К цифровому процессору звука можно подключить до четырех цифровых оконечных усилителей D-класса 315 Вт BM2071. В данном случае один вход уже использован, а три — свободны.

Напряжение питания (B) 14…48 Потребляемый ток (мА) 7 А Номинальная выходная мощность (Вт) 315 Частота ШИМ/PWM (кГц) 384 Частота дискретизации входного сигнала (кГц) 96 Сопротивление нагрузки (Ом) 4-16 Соотношение сигнал/шум (дБ) 99 Уровень гармонических искажений + шум (дБ) -93 Коэффициент гармоник (%) 0,09 Температура эксплуатации (°С) -30…50 Полоса пропускания (кГц) 10…40000 Ширина модуля (мм) 40

Более подробно…

 

Более подробно…