Навигация по сайту Моя кладовка

Клип-детектор для усилителя на TDA7293

 

Скачать zip-файл (~ 130 кБайт) со схемой и печатной платой.

При работе усилителя иногда возникают такие моменты, когда от него пытаются получить выходное напряжение больше, чем он способен отдать (это случается на большой громкости и зависит как от самого усилителя, так и от его блока питания). Естественно, что отдать больше, чем он может, усилитель не способен, поэтому, дойдя до максимума, его выходное напряжение просто перестает увеличиваться, несмотря на то, что входное напряжение продолжает расти. Это явление называется ограничением сигнала (cliping по иноземному) и очень вредно, так как является искажением (форма выходного сигнала уже не повторяет форму входного). При большой величине искажений (сильном клиппинге) искажения очень заметны на слух - сделайте звук погромче, так, чтобы "хрипело" - это и будет проявление ограничения в одном из узлов системы (не обязательно в усилителе).

Несколько подробнее об этом можно почитать здесь, а пока скажу только одно: небольшой клиппинг, затрагивающий только верхушки импульсов, практически не заметен на слух. Такие суперкратковременные искажения не воспринимаются сознанием. Но наше подсознание - тот таинственный механизм, который отвечает за слуховое восприятие - вот оно как раз эти искажения воспринимает. И чувствует в них неестественность и фальшь. Поэтому на слух такие искажения воспринимаются как отсутствие легкости звучания, прозрачности, воздушности... Ухудшается глубина сцены, появляется тяжеловесность звука, и т.п. Конечно, усилитель на микросхеме не обладает настолько высоким качеством, чтобы хорошо передавать такие нюансы и без клиппинга, но согласитесь, что при работе с искажениями в любом случае звук станет хуже, чем без них.

Как узнать, есть в данный момент в усилителе клиппинг, или нет? Если он сильный, то это очень хорошо будет заметно на слух. А если он легкий?

А для этого в микросхему TDA7293 встроен специальный узел - клип-детектор, позволяющий отследить клиппинг сигнала: при ограничении сигнала специальная схема управляет транзистором, расположенным в правом нижнем углу структурной схемы к которому подключен вывод 5.

В нормальном состоянии этот транзистор закрыт и не пропускает ток. При этом вывод 5 микросхемы "висит в воздухе" - то есть, как бы ни к чему не подключен. При возникновении клиппинга транзистор открывается, и вывод 5 оказывается подключен к земле.

Использовать этот вывод можно, если дооснастить микросхему так, как показано на рисунке (это получается полный клип-детектор). Напряжение 5 вольт и сопротивление 10 кОм взяты из даташита производителя. Я предполагаю, что эти величины используются просто для того, чтобы обеспечить работу с логическими микросхемами - никаких указаний на максимально допустимые напряжения и токи по выводу 5 я не нашел. Экспериментируя с микросхемой, я подавал на вывод 5 напряжение до 16 вольт и ток до 5 мА, и все прекрасно работало (где-то полчаса). Но я не могу гарантировать, что микросхема выдержит такие напряжения/токи в течение длительного времени. Поэтому примем напряжение 5 вольт и ток 0,5 мА (=5В / 10 кОм) в качестве рабочих значений.  

Итак, при отсутствии клиппинга на выводе 5 напряжение равно 5 вольт (т.е. соответствует высокому уровню логической "1"). В момент ограничения сигнала положительной или отрицательной полуволны, напряжение резко уменьшается до нуля:

На рисунке: черная линия - выходное напряжение; голубая линия - предел изменения выходного напряжения; красная - напряжение на выводе 5 (точнее на выходе клип-детектора).

Т.е. на выходе появляются импульсы, длительность которых равна продолжительности ограничения. Их можно использовать для управления, например, логическими микросхемами (допустим для автоматического снижения громкости).

Поскольку схема детектора внутри микросхемы является схемой с "открытым стоком", то выводы 5 нескольких микросхем можно объединять по принципу "монтажное ИЛИ", т.е. соединять вместе, и тогда детектор будет показывать наличие клиппинга в любой из этих микросхем. Это очень удобно, если нужен, например, единый индикатор для двух стереоканалов.

Принципиальная схема простейшего индикатора (мы ведь договорились не нарушать правило 5 вольт и 0,5 мА, поэтому и элементов много) показана на рисунке.

Здесь используется любой маломощный p-n-p транзистор с коэффициентом передачи тока h21э не менее 80. Резисторы R1 и R2 могут быть в пределах 16...27 кОм и не обязательно одинаковыми (R1 это тот самый резистор 10 кОм, просто с точки зрения вывода 5 микросхемы R1 и R2 включены параллельно - из-за этого он больше; R2 ограничивает ток базы транзистора), резистор R3 зависит от тока через светодиод:

R3 [Ом] ~ 5000 / Iсведодиода [мА]

Светодиод лучше выбирать максимальной яркости - я ниже объясню почему. Питается схема от того же блока питания, что и усилитель. Стабилизатор 78L05 можно заменить на 78L06, или 7805,7806, учитывая, что последние больше по габаритам и имеют другую цоколевку. С1 - любого типа, лучше малогабаритный керамический.

На вход устройства можно подключить несколько микросхем (даже несколько десятков), что и показано на схеме. То есть, один индикатор может показывать перегрузку в нескольких каналах, что актуально для систем типа 5.1.

Однако такая схема имеет один существенный недостаток - при кратковременном клиппинге светодиод загорается на очень непродолжительное время, и его свечение заметить трудно. Именно поэтому я и рекомендовал суперяркий светодиод.

Положение усугубляется еще тем, что цепь внутри микросхемы, подключенная к выводу 5, не является быстродействующей. Поэтому на высоких частотах (более 10 кГц), или при клиппировании коротких импульсов ("иголок"), выходной сигнал получается не прямоугольным, как показано черным цветом на рисунке справа, а такой вот сложной формы, как показано красным. То есть длительность и без того короткого импульса еще более уменьшается.

 

Таким образом, приведенная выше схема пригодна только для распознавания довольно длительного клиппинга (а значит и довольно большой величины). Обычно замечаешь свечение светодиода, когда и так на слух распознаешь, что "что-то не то".

Гораздо лучше и полезнее будет несколько более сложная схема (собственно, она ненамного сложнее и дороже):

Основой схемы является таймер 555 (отечественный аналог КР1006ВИ1), который включен по схеме одновибратора. В исходном состоянии от выключен, напряжение на выходе (вывод 3) равно нулю, светодиод не горит, конденсатор С2 разряжен. Если на выводе 2 таймера (при срабатывании клип-схемы) напряжение на короткое время упадет ниже 5/3 вольт (т.е. он реагирует даже на "иголки"), то микросхема перейдет во включенное состояние. При этом на выходе (вывод 3) появится напряжение ~5 вольт, светодиод загорится, а конденсатор С2 начнет заряжаться от источника питания через резистор R3. Как только он зарядится до напряжения 10/3 вольт (это все при напряжении источника = 5В), то таймер сбросится, и все вернется в исходное состояние.

Продолжительность свечения светодиода:

t [сек] = 0,0011 * R3 [кОм] * C2 [мкФ]

С номиналами, указанными на схеме это где-то 0,25 секунд. Такое значение я установил на свой вкус (мне нравится, если светодиод "мигает" а не "горит"), поэтому нужное значение времени легко подобрать, изменяя емкость и сопротивление (при этом емкость не стОит делать более 100 мкФ, а сопротивление должно лежать в пределах 3,3...330 кОм).

С1 и С3 - малогабаритные керамические, причем емкость может быть 0,1...1 мкФ (если они разные, то бОльшую емкость лучше поставить в С3). R2 - то же самое, что и R3 в предыдущей схеме. R1 - наши стандартные 10 кОм (на самом деле 8,2...33 кОм запросто!).

Сравнительные испытания этих схем, показали (да это и так было понятно), что вторая гораздо лучше. И ярко светящийся светодиод, и долго светится, и "замечает" кратковременные срабатывания, когда индикатор первой схемы даже и не загорался совсем (его включение было настолько кратковременным, что глаз не успевал заметить). Поэтому первую схему я настоятельно нерекомендую.

Я собирал эти обе схемы на макетке:

Слева первая ("плохая") схема, справа - вторая ("хорошая"). В верхнем левом углу - микросхема стабилизатора 7805 общая для обоих индикаторов. Такое включение позволило сравнить оба устройства и практикой подтвердить теорию. В принципе, клип-детектор, содержащий 8 элементов, можно так на макетке и собирать. Но если очень хочется собрать на печатной плате - вот целых два варианта (скачать zip-файл, около 130 кБайт):

Левая плата побольше (~ 3,5 см х 2,5 см), правая - для экстремалов миниатюризации. Но обе помещаются в спичечный коробок. Я все же рекомендую левую - у нее шире дорожки и ее легче изготовить и распаять.

 

Счетчик