Частотные свойства микросхем TDA7294 и TDA7293

Статья опубликована в журнале Радио №2, 2021.

Микросхемы TDA7294 и её чуть более «продвинутый» вариант TDA7293 уже два десятилетия успешно применяется для построения усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ), как любительских, так и профессиональных. Усилители, построенные на этих микросхемах, позволяют получить параметры качества, превосходящие многие УМЗЧ конца ХХ века (кроме величины 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 и фазо-частотных характеристик особенно полезно для анализа устойчивости усилителей на микросхеме и расчета необходимой частотной коррекции при увеличении глубины отрицательной обратной связи (ООС) выше рекомендуемого производителем значения. Повышение глубины ООС заметно снижает 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 столько свойствами самой микросхемы, сколько цепью обратной связи. Разрывать же цепь ООС для измерения параметров микросхемы в «чистом виде» не рекомендуется. Поэтому я выбрал метод измерения свойств микросхемы, позволяющий с одной стороны не разрывать цепь ООС, с другой стороны, дающий верные результаты.

Схема измерений

Условные схемы измерений АЧХ микросхем TDA7294 и TDA7293 показаны на рисунке 1.

TDA7294 схема измерений
Рис. 1

Микросхема включается в режим инвертирующего усилителя с резисторами R1 и R2 в цепи отрицательной обратной связи. На высоких частотах, где коэффициент усиления значительно снижается, можно произвести прямое измерение входного и выходного напряжения микросхемы, рисунок 1а.

На низких частотах, где коэффициент усиления микросхемы высокий, непосредственно измерить её входное напряжение с требуемой точностью не представляется возможным. Поэтому использовалась схема измерений, показанная на рисунке 1б. Напряжение на инвертирующий вход микросхемы подаётся через делитель напряжения Rд1, Rд2, а входное напряжение измеряется на входе делителя. При достаточно большом коэффициенте деления, входное напряжение имеет большую величину, вполне подходящую для проведения измерений с хорошей точностью.

Сопротивление нагрузки было выбрано равным 75 ом. Это с одной стороны позволило создать достаточно большой выходной ток (до 200 мА амплитуды), чтобы выходной каскад микросхемы работал в режиме большого сигнала с точки зрения выходного тока. Тогда создаются условия работы, близкие к реальности. С другой стороны, существенно снижался нагрев, что уменьшало погрешности, связанные с влиянием температуры кристалла на параметры микросхемы.

Питание усилителя производилось от лабораторного стабилизированного источника с напряжением +-30 вольт и максимальным током 3 ампера, 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, и цифровой осциллограф RIGOL DS2102A с полосой частот 100 МГц.

Измерения АЧХ и ФЧХ

Логарифмические амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики микросхемы TDA7293 показаны на рисунке 2. На графиках обозначены точки, в которых производились измерения.

АЧХ и ФЧХ TDA7293
Рис. 2

Форма АЧХ соответствует классическому усилителю топологии Лина (Lin H. M.), на ней хорошо видно два наиболее низкочастотных полюса. Первый, самый низкочастотный полюс равен примерно 25 Гц, второй – примерно 4 МГц. Фазочастотная характеристика также соответствует «классической», однако при типовой схеме включения микросхемы в области инфразвуковых частот (ниже 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 микросхеме и формирующей положительную обратную связь небольшой глубины. При проведении измерений использовался конденсатор вольтодобавки повышенной емкости, поэтому ФЧХ получились гладкими и «классическими».

Аппроксимация измеренной логарифмической АЧХ показана на рисунке 3. Из неё хорошо видны частоты полюсов, а также скорость спада АЧХ на трех участках, составляющая соответственно 0 дБ/декаду, 20 дБ/декаду и 40 дБ/декаду.

Проверка АЧХ TDA7293
Рис. 3

Так что микросхемы TDA7294 и TDA7293 являются «самыми обыкновенными» усилителями. По сути это мощные операционные усилители, скорректированные до минимального коэффициента усиления порядка 20…26 дБ. И их параметры достаточно хороши. Действительно, они несколько превосходят многие усилители XX века.

Сравнение микросхем TDA7294 и TDA7293

На рисунках 4 и 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, приобретенные в разное время (в течение последних пяти-семи лет) у разных продавцов.

Сравнение АЧХ TDA7294 и TDA7293
Рис. 4
Сравнение ФЧХ TDA7294 и TDA7293
Рис. 5

Из приведенных измерений можно сделать ряд выводов:

  • 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, технологический процесс был хорошо отлажен.
  • 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: оригинальные микросхемы работают хорошо.
  • Микросхемы типа TDA7294 обладают несколько худшими частотными свойствами по сравнению с TDA7293. Особенно хорошо это демонстрирует ФЧХ.
  • Полученные результаты, а также наличие у микросхемы TDA7293 узлов, отсутствующих в микросхеме TDA7294 позволяют утверждать, что разные типы микросхем не являются результатом разбраковки, а различие характеристик обусловлено их разной конструкцией.

Все  исследованные экземпляры микросхем обоих типов продемонстрировали очень близкие результаты. Свойства микросхем TDA7294 если и оказались немного хуже, то эта разница не очень большая. То есть, можно сделать примерно такой практический вывод в отношении микросхемы TDA7294: эта микросхема практически аналогична микросхеме TDA7293, но по некоторым параметрам немного отстаёт.

TDA7294 – это одна микросхема, а TDA7293 совсем другая микросхема, несколько усовершенствованная.

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 в пользу её более совершенного варианта.

Если честно, после этих измерений у меня вообще пропало желание использовать TDA7294! Отныне только TDA7293!

Все дальнейшие результаты относятся к микросхемам TDA7293, имеющим более высокие показатели качества и более рекомендуемые к применению.

Мощностные АЧХ микросхемы TDA7293

Известно, что измерения частотных характеристик усилителей, имеющих большую амплитуду выходного напряжения, в том числе усилителей мощности, имеют 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 подобном измерении игнорируются такой важный 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. Малосигнальная АЧХ является очень хорошим рекламным показателем, поэтому используется более чем 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 – в реальных условиях при воспроизведении звука УМЗЧ обладает частотными свойствами не лучше тех, что демонстрирует мощностная АЧХ. Именно она говорил о возможных динамических искажениях.

В приведенных выше измерениях показаны АЧХ достаточно близкие к мощностным. В области звуковых частот амплитуда выходного напряжения устанавливалась порядка 10 вольт. На более высоких частотах амплитуда устанавливалась максимально возможной, но при условии сохранения синусоидальной формы выходного напряжения. График на рис. 6 показывает масштаб выходного напряжения микросхемы при проведении одного из измерений. Снижение амплитуды выходного сигнала на частотах выше 100 кГц происходит вследствие ограниченной скорости нарастания выходного напряжения микросхем. Из рисунка 6 видно, что на частоте 100 кГц амплитуда выходного напряжения была равна 12 вольтам. Это соответствует выходной мощности 18 Вт на нагрузке 4 ома, то есть измерения более чем соответствуют реальной работе усилителя.

Амплитуда измерений
Рис. 6

Мощностная АЧХ микросхемы была измерена специально и показана на рис. 7. На этом рисунке толстой красной линией с маркерами точек показаны результаты измерения мощностной АЧХ. Судя по этому графику, верхняя граничная частота при максимальной амплитуде выходного сигнала составляет 90 кГц. Синяя линия на графике – выходная мощность на нагрузке 4 ома, соответствующая измеренному выходному напряжению. На звуковых частотах максимальная выходная мощность микросхемы, ограниченная её динамическими свойствами, составила примерно 90 Вт, снижаясь на частоте 100 кГц до значения 40 Вт.

Мощностная полоса пропускания TDA7293
Рис. 7

Однако приведенные на рис.7 (красная линия) измерения не совсем корректны. Они производились при напряжении питания микросхемы, равном 30 вольт (хоть и стабилизированном). Это напряжение меньше максимального, и не удалось получить максимально возможный размах выходного напряжения. Поэтому на рисунке 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 значительно перекрывает звуковой диапазон.

Таким образом, частотные свойства микросхемы позволяют обеспечить высокое качество звучания во всем звуковом частотном диапазоне с любой допустимой выходной мощностью без ограничений по скорости нарастания выходного напряжения. И даже имеется приличный запас.

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения микросхемы TDA7293

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения – 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 скорость изменения сигнала на входе (в масштабе) больше, чем максимально возможная скорость изменения выходного напряжения. В этом случае сигнал отрицательной обратной связи не успевает изменяться на требуемую величину, и возникает кратковременный разрыв петли ООС. Что приводит к кратковременной, но значительной перегрузке усилителя. Всплески искажений, вызванных такой перегрузкой, воспринимаются слушателем как неприятное, неестественное, «грязное» звучание.

Существует два основных метода измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения усилителя:

1. При подаче на вход усилителя прямоугольного сигнала (такой сигнал называется меандр) с максимальной амплитудой. 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 дает самое большое число. Но при реальной работе усилителя подобная ситуация в принципе не должна возникать: при таком сигнале все каскады усилителя значительно перегружаются, а отрицательная обратная связь вообще не работает. Если попытаться воспроизводить звук, загнав усилитель в такой режим, то результат получится просто ужасным.

Моя 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 допустим 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 применяется второй метод измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения.

2. На вход усилителя подается синусоидальное напряжение такой амплитуды и частоты, чтобы из-за ограничения скорости нарастания начальный участок синусоиды превратился 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 рисунке 8 показано воспроизведение микросхемой синусоиды частотой 200 кГц и амплитудой примерно 10 вольт (голубая линия – инвертированное входное напряжение, жёлтая – выходное напряжение). Синусоида искажена мало, её вершины сохраняют округлость, а значит, скорость нарастания выходного напряжения усилителя превышена ненамного.

Усиление высоких частот
Рис. 8

Непосредственно измерение, проведенное методом преобразования синусоидального сигнала в треугольный, показано на рис. 9. Значения курсоров дают следующую информацию: напряжение изменяется на 44,52 вольта за время 4,97 микросекунд. В этом случае максимальная скорость нарастания выходного напряжения составляет 44,52/4,97=8,96 вольт в микросекунду. Судя по рисунку 8, скорости нарастания 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, то можно принять, что исследуемый экземпляр микросхемы обеспечивает скорость нарастания, не менее 8 вольт в микросекунду, что хорошо согласуется с техническими характеристиками, опубликованными производителем и с мощностной АЧХ на рис. 7.

Скорость нарастания TDA7293
Рис. 9

Надо отметить, что этот метод измерений может дать заниженное значение скорости нарастания, если усилитель недогружен по частоте, и синусоидальное напряжение недостаточно выродилось в треугольное. Но 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».

А какая скорость нарастания нужна?

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. Величина максимальной скорости нарастания синусоидального напряжения определяется для максимальной частоты сигнала Fmax и максимальной амплитуды сигнала Umax по формуле:

Формула максимальной скорость нарастания

В качестве максимальной частоты Fmax обычно подставляют 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 Fmax максимальную рабочую частоту – верхнюю граничную частоту усилителя по уровню -3 дБ. В этом случае, если скорость нарастания усилителя будет достаточной, то динамические искажения вообще никогда не возникнут!

Причина такова. Если частота сигнала возрастет выше частоты среза усилителя, то амплитуда выходного сигнала усилителя уменьшится – ведь выше частоты среза коэффициент усиления падает. Во сколько раз повысится частота, во столько же раз снизится амплитуда. При этом скорость нарастания выходного сигнала усилителя, равная их произведению, останется неизменной. То есть скорости нарастания сигнала выше, чем определенная исходя из вышеприведённых условий, быть не может.

Это правило определения максимальной требуемой скорости нарастания выходного напряжения называется «критерий динамической линейности». Кстати, когда этот критерий выполняется, то 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 – 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 усилители 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 рисунке 10 приведена зависимость максимальной амплитуды выходного напряжения, ограниченной скоростью нарастания, равной 8 вольт в микросекунду, от частоты усиливаемого сигнала (чёрная линия). Как видно из графика, на частоте 20 кГц максимально возможная амплитуда превышает 60 вольт – это намного больше, максимально возможного выходного напряжения микросхемы.

Красная линия на графике – максимальная амплитуда выходного сигнала, которую способна выдать микросхема TDA7293. С таким значением амплитуды микросхема может работать без появления динамических искажений вплоть до частоты 28 кГц. То есть, свои возможности микросхема в звуковом диапазоне отрабатывает в полной мере.

Выбор максимальной рабочей частоты
Рис. 10

На рис. 10 зеленой линией показан пример использования этого графика при проектировании УМЗЧ на микросхеме TDA7293. Допустим, проектируемый УМЗЧ рассчитывается на получение максимальной выходной мощности 50 Вт на нагрузке 8 Ом. Тогда амплитуда максимального выходного напряжения определяется по формуле:

Формула максимального выходного напряжения

На графике строится горизонтальная прямая, соответствующая вычисленному напряжению (зеленая 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…45 кГц, можно быть абсолютно уверенным в отсутствии динамических искажений.

На рис. 11 приведена осциллограмма меандра амплитудой 28 вольт и частотой 10 кГц, воспроизводимого усилителем на микросхеме TDA7293 с неглубокой ООС. Этот рисунок иллюстрирует хорошие динамические свойства микросхемы и апериодический характер переходного процесса.

Быстродействие микросхемы TDA7294-TDA7293
Рис. 11

Модель микросхемы TDA7293 для симулятора

На основании полученных результатов измерения АЧХ и ФЧХ микросхемы была построена её модель. Модель содержит пять полюсов, при их меньшем количестве не удалось добиться совпадения модели с результатами измерений, а также идеальный усилитель с коэффициентом усиления 700 000 раз (117 дБ). Для моделирования каждого из полюсов можно использовать RC цепи, оснащенные буфером, а можно отдельный идеализированный операционный усилитель. В обоих случаях получается пятикаскадная схема. Пример реализации модели микросхемы TDA7293 на ОУ с управляемыми параметрами в программе Multisim показан на рис. 12.

Модель микросхемы TDA7294 TDA7293
Рис. 12

Численные значения параметров модели приведены в таблице.

Номер полюса (каскада, ОУ)12345
ОбозначениеTDA7293_1TDA7293_2TDA7293_3TDA7293_4TDA7293_5
Коэффициент усиления, раз (Open loop gain V/V)700 0001111
Коэффициент усиления, дБ (Open loop gain dB)1170000
Частота полюса25 Гц6 МГц15 МГц20 МГц20 МГц
Частота единичного усиления (Unity-gain bandwidth)17,5 МГц6 МГц15 МГц20 МГц20 МГц

На рисунке 13 приведено сравнение измеренных и моделированных АЧХ и ФЧХ. Расхождение ФЧХ в области ниже 20 герц объясняется влиянием конденсатора вольтодобавки в реальной микросхеме.

Проверка модели TDA7293
Рис. 13

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 выше 3…10 МГц работа реальной микросхемы будет отличаться от результатов моделирования.

Итак, теперь мы знаем всё о микросхемах TDA7294 и TDA7293. А значит, можем делать на них максимально хорошие усилители. Чем я и занимаюсь.

10.04.2021

Total Page Visits: 163 - Today Page Visits: 4