Полное руководство по проектированию и сборке усилителя Hi-Fi LM3886

Автор Скотт Кэмпбелл. Статья на сайте circuitbasics.com

ЧТО НУЖНО РЕШИТЬ ПЕРЕД НАЧАЛОМ

Прежде чем приступить к проектированию вашего усилителя, вы должны иметь представление о том, какую выходную мощность  вы хотите получить от него. Выходная мощность - это то, что вы обычно видите в номинальной мощности усилителя. Максимальная выходная мощность LM3886 составляет 68 Вт, но фактическая мощность, которую вы получаете, будет зависеть от напряжения питания и сопротивления колонок.

Нужно знать  входное напряжение источника звука, который вы будете усиливать. Это может быть указано в руководстве устройства, если нет, вы можете получить приблизительную оценку, воспроизведя синусоидальный сигнал с частотой 60 Гц  на полной громкости и измерив переменное напряжение между землей и левым или правым каналом мультиметром.

ОПРЕДЕЛИТЕ НЕОБХОДИМОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ И МОЩНОСТЬ

Выясним какое напряжение и мощность потребуется вашему усилителю от источника питания. Эти расчеты подскажут вам правильные значения напряжения и VA для трансформатора, который вы будете использовать для питания усилителя. Этот шаг важен, потому что если напряжение трансформатора слишком низкое, выходная мощность усилителя будет меньше, чем вы ожидали. Если номинальное значение VA трансформатора слишком мало, усилитель может обрезать или исказить звук при более высокой громкости.

ТРЕБУЕМОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ

Прежде чем вы сможете найти требуемое напряжение питания, вам необходимо рассчитать пиковое выходное напряжение усилителя .

НАЙТИ ПИКОВОЕ ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

Пиковое выходное напряжение (V opeak ) - это максимальное напряжение, измеренное на клеммах динамика усилителя. Пиковое выходное напряжение вашего усилителя будет зависеть от желаемой выходной мощности (P o ) и импеданса динамика, в соответствии с этой формулой:

Усилитель, который я собираю, будет 40 Вт с динамиками 6 Ом, поэтому мое пиковое выходное напряжение:

НАЙТИ МАКСИМАЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ, НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ УСИЛИТЕЛЯ

Теперь, когда вы нашли пиковое выходное напряжение вашего усилителя, вы можете рассчитать  максимальное напряжение питания (V max supply ) . Это напряжение, необходимое усилителю от источника питания, чтобы получить желаемую выходную мощность.

Чтобы найти максимальное напряжение питания, возьмите пиковое выходное напряжение и добавьте падение напряжения (V od ) LM3886 (4 В). Затем учитывайте регулировку вашего трансформатора и изменение напряжения в сети.

Регулирование - это увеличение выходного напряжения трансформатора, когда нагрузка не потребляет ток (т. е. Усилитель перестает воспроизводить музыку). Значения нормативов обычно можно найти в техническом описании трансформатора, но если вы не знаете норматив вашего трансформатора, безопасное значение для использования составляет 15%. Регулирование трансформатора, который я буду использовать, составляет 6%.

Сетевое напряжение может варьироваться до 10% в зависимости от вашего местоположения. Это обычно достигает пика поздно ночью, когда люди спят, и падает в дневное время, когда больше людей бодрствуют и получают ток из электросети.

Используйте эту формулу для расчета максимального напряжения питания, требуемого вашим усилителем:

Для моего усилителя мощностью 40 Вт максимальное требуемое напряжение питания:

Таким образом, мой источник питания должен обеспечивать пиковое напряжение ± 30,2 В, чтобы мой усилитель выводил 40 Вт на динамики 6 Ом. Символ ± указывает, что напряжение составляет +30,2 В на положительной шине и -30,2 В на отрицательной шине.

Следующим шагом является поиск номинального напряжения трансформатора, которое может обеспечить это максимальное напряжение питания.

НАЙТИ МАКСИМАЛЬНОЕ ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ ОТ ТРАНСФОРМАТОРА

Имейте в виду, что номинальное напряжение трансформатора говорит только о том, что это выход переменного напряжения . Напряжение  будет выше после моста и конденсаторов фильтра, когда блок питания преобразует напряжение переменного тока в постоянный ток.

Чтобы найти максимальное выходное напряжение питания постоянного тока от трансформатора и источника питания, возьмите номинальное напряжение переменного тока трансформатора и увеличьте напряжение на диодах выпрямителя на 1,41, изменение напряжения сети на 10% и регулировку трансформатора:

Я попробовал приведенный выше расчет с трансформатором, рассчитанным на напряжение 18 В переменного тока, чтобы посмотреть, сможет ли он обеспечить максимальное напряжение питания 30,2 В, необходимое для моего усилителя. С трансформатором 18 В я получил бы максимальное напряжение питания:

29,6 В довольно близко к максимальному напряжению питания 30,2 В, необходимому моему усилителю, но давайте точно подсчитаем, какую выходную мощность я получу с этим трансформатором.

НАЙТИ ВЫХОДНУЮ МОЩНОСТЬ ОТ НОМИНАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Чтобы рассчитать выходную мощность, полученную из номинального напряжения конкретного трансформатора, используйте следующую формулу:

Используя максимальное напряжение питания, которое я рассчитал для трансформатора 18 В (29,6 В), я получу выходную мощность:

Выходная мощность 38,2 Вт довольно близка к моей цели в 40 Вт, поэтому трансформатор 18 В будет работать нормально.

ТРЕБУЕМАЯ МОЩНОСТЬ ТРАНСФОРМАТОРА

Теперь давайте найдем минимальное значение VA для трансформатора, который будет питать ваш усилитель.

Сначала вам нужно рассчитать суммарную мощность (P питание ) ,  необходимую для усилителя. Общая мощность зависит от максимального выходного напряжения источника питания, пикового выходного напряжения усилителя и полного сопротивления динамика. Формула для использования:

Я уже рассчитал максимальное напряжение питания трансформатора 18 В (29,6 В) и пиковое выходное напряжение моего усилителя (21,9 В). Общий ток покоя питания (QPSC) приводится в техническом описании на LM3886 в качестве 85 мА.

Таким образом, мой 18 В трансформатор должен снабжать усилитель по крайней мере:

Теперь можно использовать общую мощность, чтобы найти минимальное значение VA для вашего трансформатора.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ОБЩЕЙ МОЩНОСТИ В НОМИНАЛЬНУЮ МОЩНОСТЬ ТРАНСФОРМАТОРА VA

Чтобы преобразовать общую мощность в номинальную мощность трансформатора, общее правило заключается в умножении ее на коэффициент 1,5:

Это VA, требуемый для каждого канала, поэтому для стереоусилителя, питаемого от одного трансформатора, просто удвойте его:

Найти трансформатор с VA 222 будет сложно, но вы можете округлить до ближайшего ближайшего значения и использовать трансформатор 250 ВА  или больше.

ОПРЕДЕЛИТЕ ПРАВИЛЬНЫЙ РАЗМЕР РАДИАТОРА

LM3886 нуждается в радиаторе, достаточно большом, чтобы рассеивать выделяемое тепло, иначе он быстро повредится. Минимальный размер радиатора можно определить, рассчитав его  максимальное тепловое сопротивление (° C / Вт) .

Во-первых, вам нужно знать максимальное рассеивание мощности вашего LM3886  (P dmax ) , и тепловые сопротивления  в теплопередаче, проходящей от кристалла к окружающему воздуху.

НАЙТИ МАКСИМАЛЬНУЮ МОЩНОСТЬ РАССЕИВАНИЯ

Максимальное рассеивание мощности - это предел, при котором активируется внутренняя схема LM3886 SPiKe. Качество звука серьезно ухудшается, когда включена схема SPiKe, поэтому для предотвращения этого нам необходим радиатор с достаточно низким тепловым сопротивлением, чтобы рассеивать максимальную мощность, рассеиваемую LM3886. P dmax зависит от максимального напряжения питания вашего блока питания и сопротивления вашего динамика:

Максимальное выходное напряжение питания от моего источника питания составляет ± 29,6 В, и я буду управлять динамиками 6 Ом, поэтому мой P dmax  :

Поэтому мой радиатор должен рассеивать мощность 29,6 Вт, чтобы предотвратить активацию защитной цепи SPiKe.

НАЙТИ МАКСИМАЛЬНОЕ ТЕПЛОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ РАДИАТОРА

Существует три сопротивления тепловому потоку от LM3886:

Как спроектировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - Диаграмма теплового сопротивления

θ jc : тепловое сопротивление от соединения чипа (кристалла) к корпусу.

θ cs : тепловое сопротивление зазора между корпусом чипа и радиатором.

θ sa : тепловое сопротивление от радиатора к окружающему воздуху.

Большая мощность будет рассеиваться при снижении любого теплового сопротивления на пути к окружающему воздуху. θ jc  является свойством пластикового корпуса, окружающего матрицу, поэтому мы ничего не можем сделать, чтобы снизить его.

θ cs  можно снизить, используя термопасту между чипом и радиатором. Термопаста имеет тепловое сопротивление около 0,2 ° C / Вт, но точное значение типа используемого вами должно быть доступно у производителя.

Наиболее эффективный способ уменьшить общее тепловое сопротивление - снизить θ sa  с помощью более эффективного радиатора. Радиаторы с более низким θ sa  лучше рассеивают тепло.

Радиатор рассеивает пиковую мощность, создаваемую усилителем (P dmax ), если его тепловое сопротивление (θ sa ) меньше или равно значению, рассчитанному по следующей формуле:

LM3886 выпускается в двух разных корпусах, LM3886T и LM3886TF. LM3886T имеет металлический фланец на задней части корпуса, а LM3886TF полностью пластиковый. Пластиковый корпус LM3886TF обеспечивает более высокое значение θ cs :

  • LM3886T: θ cs  = 1 ° C / Вт
  • LM3886TF: θ cs  = 2 ° C / Вт

T jmax  - максимальная температура перехода или температура на кристалле, выше которой включается схема термического отключения. Лист данных дает значение для T jmax  150 ° C.

T amb  - это температура окружающей среды в ° C, при которой усилитель будет работать. Типичным значением для T amb  является комнатная температура (25 ° C).

Таким образом, максимальное тепловое сопротивление (θ sa ) радиатора для моего усилителя с P dmax  29,6 Вт составляет:

Поэтому мне потребуется радиатор с номинальной мощностью не более 2,1 ° C / Вт, чтобы обеспечить рассеивание максимальной мощности, создаваемой LM3886.

Вот один канал моего усилителя, подключенного к радиатору правильного размера:

Как сконструировать усилитель звука Hi-Fi с LM3886 - собранная плата с радиатором

РАСЧЕТ ЗНАЧЕНИЙ КОМПОНЕНТОВ

Теперь, когда вы рассчитали требования к источнику питания и радиатору, следующим шагом будет поиск значений для компонентов в схеме усилителя. Я буду использовать схему ниже. Он в основном такой же, как в таблице, но с дополнительными компонентами стабильности:

Как спроектировать усилитель звука Hi-Fi с LM3886 - принципиальная схема

Примечание. Компоненты помечаются в том виде, в котором они указаны в таблице данных.

Вот схема расположения выводов LM3886 для вашей справки:

Как спроектировать Hi-Fi аудиоусилитель с распиновкой LM3886

НАЙДИТЕ МИНИМАЛЬНОЕ ТРЕБУЕМОЕ УСИЛЕНИЕ

Коэффициент усиления может быть установлен на любое значение выше минимума LM3886, равного 10 В o / V i , но для получения желаемой выходной мощности оно должно быть выше определенного минимального значения. Минимальное значение усиления вашего усилителя будет зависеть от вашего входного напряжения, сопротивления динамика и выходной мощности в соответствии с формулой:

Я планирую использовать iPhone в качестве источника звука для моего усилителя с выходным напряжением 1 В. Выходная мощность, которую я получу с моим трансформатором и источником питания, составляет 38,2 Вт, а сопротивление моих динамиков - 6 Ом. Итак, мой минимальный выигрыш:

Поэтому мне нужно установить усиление не менее 15,1 В o / V i,  если я хочу, чтобы выходная мощность 38,2 Ватта была встроена в динамики 6 Ом с входным напряжением 1 В.

НАСТРОЙКА УСИЛЕНИЯ

Усиление LM3886 можно установить, изменив значения резисторов R i и R f1 . Эти резисторы образуют делитель напряжения, который определяет напряжение на инвертирующем входе (вывод 9) LM3886:

Как сконструировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - Rf1 и Ri определяют усиление усилителя

Установка слишком высокого усиления может привести к искажению. Установка слишком низкого уровня может сделать ваш усилитель слишком тихим. Хорошая настройка усиления, которая не слишком высока, чтобы вызвать искажения, но не слишком низка, чтобы дать вам хороший диапазон громкости, составляет от 27 до 30 дБ.

Усиление рассчитывается по этой формуле:

Это дает вам коэффициент усиления по напряжению (V o / V i ) или коэффициент усиления. Чтобы преобразовать усиление напряжения в децибел (дБ), используйте следующую формулу:

Резисторы с более высокими значениями создают больше шума Джонсона-Найквиста , поэтому лучше найти  соотношение R f1  / R i, которое обеспечивает целевое усиление при низких значениях резисторов.

Я выбрал усиление около 27 дБ (22,4 В o / V i ) для моего усилителя. Чтобы поддерживать низкие сопротивления, я начал с установки R i на 1 кОм. Затем я переставил формулу усиления, чтобы решить для R f1  с коэффициентом усиления 22,4 В o / V i :

Я собираюсь использовать металлические пленочные резисторы серии Vishay-Dale PTF в моем усилителе, но самое близкое значение, которое я смог найти, было 20 кОм. Но использование резистора 20 кОм для R f1 даст усиление:

Что достаточно близко к 27 дБ и превышает минимальное усиление 15,1 В o / V i, необходимое для моей желаемой выходной мощности, входного напряжения и сопротивления динамика.

Если вы строите стереоусилитель, вы хотите, чтобы R i и R f1  имели близкие допуски сопротивления. Если эти резисторы сильно различаются между двумя каналами, усиления будут отличаться, и один канал будет громче, чем другой. Металлические пленочные резисторы с допуском 0,1% или менее являются идеальными.

БАЛАНСИРОВКА ВХОДНОГО ТОКА СМЕЩЕНИЯ

После установки усиления следующим шагом является балансировка входных токов смещения путем выбора значений для R in и R b :

Как сконструировать усилитель звука Hi-Fi с LM3886 - Балансировка входного тока смещения с Rin, Rb и Rf1

Если токи на неинвертирующем входе (вывод 9) и инвертирующем входе (вывод 10) различны, между ними будет возникать напряжение. Эта разница в напряжении будет усиливаться как шум.

Инвертирующий вход видит сопротивление R f1,  а неинвертирующий вход видит сопротивление R in и R b последовательно. Вы уже нашли значение для R f1,  когда устанавливаете усиление усилителя. Значения R in и R b  выбираются так, чтобы вместе они равнялись значению R f1 . Это сделает ток на неинвертирующем входе равным току на инвертирующем входе. Чтобы найти значения R в и R b  для конкретного R f1 , используйте эту формулу:

Я использовал значение, указанное в техническом описании для R b  (1 кОм). Таким образом , с R f1  на 20 кОм, значение R в  том , что балансирует входной ток смещения для моего усилителя:

Вы, вероятно, сможете найти резистор 19 кОм, доступный с типом резисторов, который вы используете, но 20 кОм - это самое близкое значение, которое я мог бы найти с резисторами Vishay-Dale PTF, поэтому мне придется с этим согласиться.

УСТАНОВИТЕ НИЗКОЧАСТОТНУЮ ОБРЕЗКУ НА ВХОДЕ УСИЛИТЕЛЯ

C in последовательно с неинвертирующим входом. Его основная функция - блокировать любой постоянный ток, присутствующий в аудиоисточнике, одновременно пропуская переменный ток (аудиосигнал). Постоянный ток в аудиоисточнике должен быть заблокирован, иначе он будет усилен вместе с аудиосигналом и создаст высокое смещение постоянного тока в динамиках. Это искажает звук, который мы не хотим по понятным причинам.

В дополнение к функции блокировки по постоянному току, C in  и входной резистор (R in ) образуют высокочастотный RC-фильтр, который устанавливает нижний предел полосы пропускания усилителя на неинвертирующем входе:

Как сконструировать усилитель звука Hi-Fi с LM3886 - входной фильтр высоких частот Cin and Rin

Частота среза этого фильтра (также известная как  точка -3 дБ или угловая частота ) - это частота, с которой фильтр начинает работать. В фильтре верхних частот частоты ниже частоты среза будут ослаблены (приглушены). В фильтре нижних частот все частоты выше частоты среза будут отключены. Мы будем использовать комбинации фильтров нижних и верхних частот, чтобы установить полосу пропускания усилителя и улучшить стабильность.

Частота среза (F c ) этого фильтра может быть найдена с помощью уравнения:

Уравнение может быть перестроено , чтобы найти значение С в  течение определенного F с :

Вы нашли значение R в ,  когда вы уравновешены входные токи смещения, так что все , что вам сейчас нужно , чтобы выбрать частоту среза. Нижний предел слуха человека составляет 20 Гц, поэтому значение F c  должно быть значительно ниже, чтобы предотвратить ослабление низких частот. Ниже 2-4 Гц идеально.

Я склонен слушать музыку с большим количеством басов, поэтому я выбрал довольно низкий F c  для моего усилителя. Я начал с 1,5 Гц, но вы можете использовать более высокие или более низкие значения, если хотите. Просто убедитесь, что вы находитесь на частоте ниже 20 Гц, иначе бас будет слабым.

При F c 1,5 Гц значение моего C in  должно быть:

Трудно найти конденсатор емкостью 5,3 мкФ, но довольно распространенное значение составляет 4,7 мкФ. F c с конденсатором 4,7 мкФ будет:

F c 1,69 Гц довольно близок к моим желаемым 1,5 Гц, поэтому конденсатор 4,7 мкФ должен быть хорошим.

Поскольку C in  находится непосредственно на пути входного аудиосигнала, тип используемого конденсатора будет влиять на качество звука. Следует избегать электролитических, керамических и танталовых конденсаторов. Лучше всего будет звучать полипропиленовая металлическая пленка хорошего качества или, что еще лучше, металлическая полипропиленовая пленка в масляном конденсаторе.

УСТАНОВИТЕ НИЗКОЧАСТОТНОЕ ОБРЕЗАНИЕ В КОНТУРЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Второй фильтр верхних частот существует в контуре обратной связи с R i и C i :

Как сконструировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - Установите Fc фильтра верхних частот обратной связи

Частота среза этого фильтра должна быть в 3-5 раз ниже, чем F c C in \ R в  фильтре верхних частот на входе. Если F c этого фильтра  выше, чем входной фильтр, усилитель будет передавать низкие частоты в контур обратной связи, который он не может обработать. Это создаст напряжение на C i и вызовет появление напряжения постоянного тока на инвертирующем входе, которое будет усиливаться и вызывать искажения. Следовательно, входной фильтр (C in и R in ) должен определять более низкую частоту полосы пропускания усилителя, а не фильтр обратной связи (C i и R i ).

Входной фильтр определяет нижний предел полосы пропускания, но C i по-  прежнему влияет на отклик низких частот. При меньших значениях C i , бас будет более мягким и будет иметь меньший удар, но при больших значениях C i , бас будет более жестким и будет иметь больший эффект.

Приведенная ниже формула даст вам отправную точку для значения C i :

Я уже нашел значения для R in , C in , R b и R i , поэтому значение моего C i должно быть больше чем:

Округление до следующего значения общей емкости дает 220 мкФ. Давайте посмотрим, какая частота среза будет с этим. Мы можем использовать уравнение F c с R i и C i :

Теперь я проверю, не превышает ли 0,72 Гц от 3 до 5 раз значение 1,69 Гц F c  моего входного фильтра:

Это в 2,3 раза ниже. Давайте попробуем несколько большие значения для C i, чтобы увидеть, если мы не можем сделать лучше, чем это. Повторение  расчета F c для конденсатора 330 мкФ дает 0,48 Гц.

Понятно, что в 3,5 раза меньше, но я мог бы быть еще лучше с конденсатором 470 мкФ. Повторение расчетов снова с конденсатором 470 мкФ дает F c 0,34 Гц.

Конденсатор на 470 мкФ установит F c моего фильтра с обратной связью в 4,9 раза ниже, чем F c моего входного фильтра. Это здорово, поэтому я буду использовать конденсатор 470 мкФ для C i .

C i  также находится в тракте аудиосигнала, поэтому следует использовать конденсатор хорошего качества. Емкость, вероятно, будет слишком высокой, чтобы использовать полипропилен, поэтому вам, вероятно, придется использовать электролитический. Тем не менее, существуют высококачественные электролитические средства, такие как  Elna Silmic II или Nichicon KZ, которые не должны отрицательно влиять на качество звука.

УСТАНОВИТЕ ВЫСОКОЧАСТОТНУЮ ОБРЕЗКУ НА ВХОДЕ УСИЛИТЕЛЯ

R b и C c образуют низкочастотный RC-фильтр, который устанавливает верхний предел полосы пропускания усилителя на неинвертирующем входе:

Как сконструировать усилитель звука Hi-Fi с LM3886 - фильтр низких частот Rb и Cc

В техническом описании C c показан подключенным между неинвертирующим входом и инвертирующим входом. В этой конфигурации C c  фильтрует радиочастоту и электромагнитные помехи, обнаруживаемые входными проводами. К сожалению, это также увеличивает вероятность возбуждения. Лучший способ - подключить C c от неинвертирующего входа к земле, как показано на рисунке выше. Таким образом, C c по-  прежнему фильтрует радиочастоты, но также действует как фильтр нижних частот, который устанавливает верхний предел полосы пропускания усилителя.

Значение F c  этого фильтра должно быть значительно ниже самой низкой частоты радиовещания в вашем регионе и значительно выше верхнего предела 20 кГц человеческого слуха. Радиовещательные частоты в США:

  • FM: от 87,5 до 108 МГц
  • AM: от 535 до 1605 кГц

Я решил начать с F c около 250 кГц. Это намного ниже самой низкой частоты вещания AM (535 кГц), поэтому радиочастоты и большинство электромагнитных помех должны быть отфильтрованы. Он также значительно выше верхней 20 кГц частоты человеческого слуха, поэтому более высокие звуковые частоты не будут ослаблены.

Чтобы найти значение для C c, которое дает F c 250 кГц, я просто переставлю формулу частоты среза:

Поскольку 636 пФ не является общим значением, я округлю до 680 пФ. С конденсатором 680 пФ, F c становится:

Таким образом, конденсатор 680 пФ установит верхнюю частоту среза равной 234 кГц, что достаточно близко к желаемому значению F c,  равному 250 кГц. C c  также находится на пути прохождения сигнала, поэтому следует использовать конденсатор хорошего качества. Лучшие диэлектрические типы для аудио конденсаторов в диапазоне picofarad - серебряная слюда или полистирол.

КОМПОНЕНТЫ СТАБИЛЬНОСТИ R F2 И C F

R f2 и C f  гасят резонанс в контуре обратной связи и повышают стабильность:

Как спроектировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - Rf1, Rf2 и Cf

R f1 , R f2 и C f  образуют фильтр низких частот в контуре обратной связи, но, как видно из формулы в техническом описании, вычисление F c этого фильтра довольно сложно:

Лучший способ определить значения для R f2 и C f - это программное обеспечение для моделирования цепей, такое как LTSpice . Это выходит за рамки этой статьи, так что я просто собираюсь использовать значения, приведенные в таблице.

Но если вы хотите поэкспериментировать, уменьшение значения C f повысит верхнюю F c полосы пропускания, а увеличение значения уменьшит ее.

СЕТЬ ЗОБЕЛЯ

C sn и R sn образуют сеть Zobel на выходе усилителя:

Как спроектировать усилитель звука Hi-Fi с LM3886 - RSN и CSN образуют сеть Zobel

Сеть Zobel используется для предотвращения колебаний, вызванных индуктивными нагрузками. Это также предотвращает попадание радиочастот, улавливаемых проводами динамиков, на инвертирующий вход усилителя через петлю обратной связи.

На высоких частотах сопротивление C sn очень низкое, поэтому ток высокой частоты замыкается на землю. R sn  ограничивает ток высокой частоты, поэтому нет прямого короткого замыкания на землю, которое может превысить предел тока LM3886. Следовательно, меньшие значения R sn  делают сеть Zobel более эффективной при фильтрации радиочастот, но также увеличивают частоту среза, что, в свою очередь, снижает ее эффективность.

Таблица данных дает значение 2,7 Ом для R sn и значение 100 нФ для C sn . Это делает F c :

589 кГц довольно высока, тем более что самая низкая частота радиопередачи AM составляет 535 кГц. Чтобы довести это до более приемлемого уровня, я решил использовать 4,7 Ω для R sn и 220 нФ для C sn , что понижает F c  до 154 кГц:

154 кГц намного выше предела 20 кГц человеческого слуха, и намного ниже любых радиочастот, которые могут улавливать провода колонок.

Так как R sn  должен будет шунтировать большие токи на землю, если усилитель колеблется, номинальная мощность должна быть не менее 1 Вт. C sn  должен иметь низкое ESR и низкое ESL с номинальным напряжением, превышающим размах выходного напряжения между шинами. Чтобы свести к минимуму индуктивность, расположите сеть Zobel рядом с выходным контактом (контакт 4) и оставьте следы короткими.

СЕТЬ Thiele

Как спроектировать усилитель звука Hi-Fi с LM3886 - Theiele Network

В то время как сеть Zobel уменьшает колебания, вызванные индуктивными нагрузками, сеть Thiele уменьшает колебания, вызванные емкостными нагрузками, обычно из-за длинных кабелей громкоговорителей. Это также предотвращает попадание радиочастот, улавливаемых проводами динамиков, на инвертирующий вход усилителя через контур обратной связи.

Индукторы имеют низкий импеданс для тока низкой частоты и высокий импеданс для тока высокой частоты. Звуковые сигналы имеют относительно низкую частоту, поэтому они будут проходить через индуктор без ограничений. Высокочастотный колебательный ток будет препятствовать индуктивности и протекать через резистор, который его ослабит.

В техническом описании рекомендуется резистор 10 Ом, 5 Вт, параллельно с индуктором 0,7 мкГн. В стереоусилителе будет одна сеть Thiele на канал. Они должны быть расположены вдали от входной цепи усилителя, чтобы предотвратить помехи от магнитных полей, создаваемых индуктором. Хорошее место находится рядом с выходными клеммами динамика, немного отделенными друг от друга или под углом 90 °, чтобы предотвратить связь между ними магнитным полем.

СОЗДАНИЕ ИНДУКТОРОВ

Как спроектировать усилитель звука Hi-Fi с LM3886 - собранная сеть Thiele

Индукторы для сети Тиле представляют собой воздушные сердечники с намоткой проволоки, изготовленные путем обмотки покрытой эмалью проволоки (магнитная проволока) вокруг цилиндрического объекта. Поскольку индуктор будет нести полный выходной ток усилителя, провод должен быть толстым. 12-18 AWG было бы хорошо. Используйте этот  однослойный калькулятор воздушной катушки,  чтобы узнать, сколько витков вам нужно для определенного диаметра проволоки и диаметра катушки.

Или вы можете рассчитать индуктивность самостоятельно по этой формуле:

Я использовал магнитную проволоку 14 AWG, так как он толстый и его легко найти. Диаметр 14 AWG составляет 1,62814 мм. Я планировал использовать вал отвертки диаметром 11 мм для формирования катушки. Введя эту информацию в калькулятор индуктивности, я обнаружил, что мне понадобится около 12 обмоток, чтобы получить индуктор 0,7 мкГн.

КОНДЕНСАТОРЫ РАЗВЯЗКИ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Как спроектировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - Конденсаторы развязки блока питания

LM3886 имеет один отрицательный контакт питания (контакт 4) и два положительных контакта питания (контакты 1 и 5). Отрицательный вывод питания нуждается в своем собственном наборе развязывающих конденсаторов, а положительные выводы питания имеют отдельный набор развязывающих конденсаторов.

Большие развязывающие конденсаторы обеспечивают длительный источник резервного тока, когда низкочастотный выход усилителя высок. Большие значения улучшат звучание низких частот. Типичные значения составляют от 470 мкФ до 2200 мкФ.

Разъединяющие конденсаторы среднего значения подают дополнительный ток на среднечастотный выход. Они должны быть где-то между 10 мкФ и 220 мкФ.

Развязывающие конденсаторы малого значения обеспечивают ток очень быстро, чтобы помочь усилителю выводить более высокие звуковые частоты. Они также фильтруют шум и радиочастотные помехи в источнике питания.

Разъединяющие конденсаторы также компенсируют паразитную индуктивность и сопротивление проводов питания и следов, ведущих к выводам питания микросхемы. Индуктивность и сопротивление препятствуют протеканию тока, который увеличивается с увеличением длины проводов и следов. Поскольку источник питания находится относительно далеко от микросхемы, индуктивность и сопротивление являются проблемой. Чтобы максимизировать поток тока к микросхеме, развязывающие конденсаторы должны быть расположены как можно ближе к выводам питания микросхемы.

Конденсаторы с меньшим эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) и меньшей  эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL)  являются лучшими типами для использования здесь.

Исследования Тома Кристиансена  показывают, что керамический конденсатор X7R емкостью 4,7 мкФ параллельно с электролитическим электролитом 22 мкФ и электролитом 1000 мкФ обладает значительно лучшими характеристиками, чем параллельные конденсаторы емкостью 100 нФ, 10 мкФ и 470 мкФ, рекомендованные в техническом описании. Это то, что я буду использовать в моем усилителе.

MUTE CIRCUIT

R m , C m и D1 образуют цепь отключения звука:

Как спроектировать усилитель звука Hi-Fi с LM3886 - Mute Circuit

Когда ток, протекающий через вывод отключения звука (вывод 8), составляет менее 0,5 мА, выходной сигнал усилителя отключается, а когда ток превышает 0,5 мА, выходной сигнал отключается.

Чтобы включить звук усилителя, нам нужно найти значение для R m,  чтобы ток, выходящий из вывода 8, превышал 0,5 мА. Это можно найти с помощью этой формулы:

Для моего усилителя, работающего при напряжении питания ± 29,6 В,

Таким образом, мой R m должен быть меньше 54 кОм, чтобы ток на выводе 8 был больше 0,5 мА.

R m и C m создают постоянную времени, которая медленно уменьшает ток на выводе отключения звука при отключении питания усилителя и медленно увеличивает ток при включении усилителя. Стабилитрон 16 В (D1) блокирует ток, протекающий через контакт 8, пока не будет достигнуто напряжение пробоя диода (16 В). Это создает эффект плавного пуска / останова, который постепенно увеличивает или уменьшает громкость, а не резко ее обрезает.

Время, необходимое для увеличения и уменьшения тока, можно изменить, изменив значения R m или C m в соответствии с формулой постоянной времени RC:

Например, если я хочу плавного старта длительностью в одну секунду, я могу произвольно установить R m равным 10 кОм, а затем найти значение для C m :

Поэтому, установив R m на 10 кОм и C m на 100 мкФ, я получу плавный пуск в течение одной секунды.

ОКОНЧАТЕЛЬНАЯ СХЕМА

Теперь, когда мы увидели, как рассчитать значения компонентов, мы можем приступить к разработке схемы печатной платы и схемы подключения. Если вы не хотите выполнять все вычисления, которые мы делали выше, вы можете использовать значения, которые я использовал. Вот окончательная схема:

Как спроектировать усилитель звука Hi-Fi с LM3886 - принципиальная схема

Примечание. Метки компонентов соответствуют меткам на схеме печатной платы, приведенной ниже. Нажмите на изображение, чтобы редактировать схему или изменить значения компонентов.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАЗВОДКИ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Схема заземления вашего усилителя имеет большое влияние на качество звука. При правильно спроектированной схеме заземления выход усилителя будет полностью бесшумным, когда источник подключен и музыка не воспроизводится. При плохо спроектированной схеме заземления усилитель может издавать очень заметный гул или жужжание.

Ключом к правильному планированию заземления является отделение заземления от сильного тока отдельно от заземления. Слаботочные заземления - это заземления для входной цепи и контура обратной связи. Сильноточные заземления - это заземления для развязывающих конденсаторов блока питания, сети Zobel и динамиков. Высокие токи, протекающие через слаботочные заземляющие проводники, создают постоянное напряжение, которое может проявляться на входе усилителя и усиливаться в виде шума.

Чтобы отделить слаботочные площадки от сильноточных, мы создадим несколько наземных сетей:

  • Заземление аудиовхода : заземление для кабеля аудиовхода
  • Заземление сигнала : заземление для входной цепи - R in , C c и R i / C i
  • Громкоговоритель земля : Основание для динамиков
  • Заземление питания : Заземление для развязывающих конденсаторы блока питания, сети Zobel, конденсатора отключения звука и вывода заземления LM3886

Эти заземления должны подключаться только один раз на наборе клемм, называемых заземлением основной системы . Основное заземление системы расположено как можно ближе к резервуарным конденсаторам на источнике питания. Заземление основной системы будет подключаться к проводу заземления через цепь защиты контура заземления (поясняется ниже) и корпус усилителя.

Как спроектировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - Заземление главной системы блока питания

Отдельные заземляющие сети подключены к заземлению основной системы, так что заземления с большим током находятся ближе к конденсаторам резервуара. На схеме ниже показано, как организовать заземление:

Как спроектировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - Схема заземления

Заземления громкоговорителей и аудиовходов направляются непосредственно от их клемм на корпусе к основному заземлению системы.

РАЗРАБОТКА МАКЕТА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Дизайн печатной платы также имеет большое влияние на производительность вашего усилителя. Ниже я расскажу о руководящих принципах, которые я использовал для разработки этого макета печатной платы. Печатная плата предназначена для одного канала, поэтому для стереоусилителя вам потребуется собрать две платы:

Как спроектировать усилитель звука Hi-Fi с LM3886 - PCB Layout

Примечание. Компоненты на схеме печатной платы соответствуют схеме, приведенной выше. Вы можете нажать на изображение выше, чтобы отредактировать компоновку печатной платы, изменить посадочные места компонентов и заказать печатные платы.

Печатная плата была разработана с помощью программного обеспечения EasyEDA для онлайн-проектирования. EasyEDA - это полный пакет программного обеспечения/услуг по разработке и изготовлению печатных плат, который можно бесплатно использовать и предлагает отличные цены на изготовление печатных плат на заказ.

ЗАКАЗ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Если вы нажмете кнопку «Производство» в редакторе печатных плат EasyEDA, вы попадете на страницу, где вы можете заказать печатную плату . Вы сможете выбрать толщину меди, толщину печатной платы, цвет и количество заказа:

Как сконструировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - Заказ печатной платы

Я заказал 5 досок за 17,10 долларов США, и они были доставлены примерно за 10 дней. Готовые доски выглядят великолепно. Все следы и печать были очень чистыми и точными, и ни на одной из плат не было никаких дефектов. Вот одна из печатных плат:

Как сконструировать усилитель звука Hi-Fi с LM3886 - PCB TopКак сконструировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - Нижняя часть печатной платы

РУКОВОДСТВО ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Высокие токи, протекающие через следы питания и выхода, будут создавать магнитные поля, которые могут генерировать токи в контуре обратной связи и входных следах, если они направляются параллельно друг другу. Это может исказить входной сигнал, поэтому лучше держать их далеко друг от друга или направлять их под углом 90 °. Размещение их печатных плат на противоположных сторонах платы облегчит их разделение при маршрутизации трасс.

Любое пространство между следами одной и той же цепи создаст петлю, которая может передавать или принимать электромагнитные поля. Следы для подачи питания и заземления должны быть проложены близко друг к другу, чтобы уменьшить площадь контура. Аналогично, аудиовход и трассировки сигнала должны быть направлены близко друг к другу. Простой способ минимизировать площадь петли - это использовать заземляющие плоскости на нижнем слое печатной платы, что я и сделал в этом макете.

Заземление и сигнальное заземление являются единственными наземными сетями на печатной плате. Каждый из них имеет свою электрически изолированную плоскость заземления на нижнем слое. Поскольку силовое заземление несет высокие токи, а сигнальное заземление несет низкие токи, они хранятся отдельно, пока не соединятся с заземлением основной системы. На верхнем уровне печатной платы трассы источника питания, выхода и сети Zobel направляются через плоскость заземления. Трассировки контуров входа и обратной связи проходят через плоскость заземления сигнала. Следы для подачи питания были сделаны очень широкими, чтобы минимизировать сопротивление и индуктивность.

Цикл обратной связи должен быть как можно короче, чтобы уменьшить площадь петли. Я подрезал выводы резистора обратной связи (R f1 ) и припаял его непосредственно к контактам 9 и 3, чтобы сохранить площадь контура как можно меньше:

Как создать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - резистор с обратной связью

Индуктивность подавляет поток тока и создает резонанс с конденсатором, который подключен последовательно. Поскольку индуктивность возрастает с увеличением длины трассы, лучше держать все трассы как можно короче. Это особенно важно для развязывающих конденсаторов блока питания, контура обратной связи, входных цепей и сети Zobel. Держите компоненты этих цепей прямо напротив контактов микросхемы, чтобы следы были короткими.

В нашей  статье «Как изготовить нестандартную печатную плату» у нас есть больше советов и рекомендаций по проектированию печатных  плат , поэтому, если вам интересно, проверьте это.

ВСЕ ВМЕСТЕ

LM3886 - это усилитель Hi-Fi, поэтому для моего усилителя я использовал высококачественные компоненты:

Как спроектировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - Компоненты усилителя

Общая стоимость составила около $ 118 для обоих каналов, не включая шасси, блок питания и проводку. Вы можете создать его намного дешевле с более дешевыми компонентами, если у вас ограниченный бюджет, просто измените посадочные места для компонентов в компоновке печатной платы.

ПРИПОЙ И ПАЙКА

Перед пайкой компонентов на печатной плате, используйте кусочек мелкозернистой наждачной бумаги, чтобы удалить окисление с проводов компонента. Это даст вам более прочное паяное соединение и лучшую электрическую проводимость.

Чтобы удерживать отдельные компоненты на месте во время пайки, используйте замазку типа Sticky-Tac на верхней стороне печатной платы. Сначала начните пайку самых маленьких компонентов и переходите к более крупным компонентам.

Старайтесь избегать стандартного 60/40 оловянно-свинцового припоя и используйте вместо него эвтектический припой 63/37. Припой 60/40 имеет широкий диапазон плавления, и когда он находится в нижней части диапазона, он становится пастообразным. Если компонент перемещается в пастообразной фазе, это может привести к образованию холодного паяного соединения. Меньший диапазон плавления эвтектического припоя ускоряет схватывание припоя и обеспечивает лучшее электрическое соединение.

Вот один канал моего усилителя после пайки компонентов:

Как спроектировать усилитель звука Hi-Fi с LM3886 - Собранный усилитель

В ПОИСКАХ ШАССИ

Вам понадобится корпус для хранения печатных плат и проводов, а также для установки разъемов входа, выхода и питания. Металлические корпуса являются лучшим типом, потому что они защищают усилитель от помех, вызываемых флуоресцентными лампами, радиоприемниками и сотовыми телефонами. К сожалению, может быть трудно найти шасси, которое подходит всем и выглядит хорошо. После долгих поисков я нашел компанию под названием Hi-Fi 2000, которая производит несколько действительно хороших металлических корпусов. Их сайт на итальянском, но его можно перевести на английский. Я заказал модель Galaxy 330 × 280 мм с передней панелью из анодированного алюминия 10 мм, и она выглядит великолепно:

Как спроектировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - шасси усилителя

Они также выполняют пользовательские сверления и печати, поэтому я попросил их настроить заднюю панель:

Как спроектировать Hi-Fi аудио усилитель с LM3886 - Задняя панель усилителя

Перед тем, как заказать шасси, выполните тестовую компоновку трансформатора, блока питания, плат усилителя и радиаторов. Затем измерьте габаритные размеры, чтобы убедиться, что корпус подходит всем.

СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ ВНУТРИ ШАССИ

После того, как платы собраны и у вас есть шасси, пришло время соединить все вместе. Расположение проводов так же важно, как и расположение печатной платы и схемы заземления. Используйте схему ниже в качестве руководства для соединения различных частей:

Как спроектировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - мастер схема

Нажмите на изображение, чтобы посмотреть увеличенную версию.

Цель проводки состоит в том, чтобы уменьшить или устранить электромагнитные помехи между проводами с большим и низким током. Звуковые входные провода и провода заземления сигнала наиболее чувствительны к помехам от окружающих магнитных полей.

Провода питания, выходные провода динамиков, трансформатор, выпрямительные диоды и провода переменного тока являются основным источником магнитных полей. Чтобы уменьшить помехи, держите аудиовход и провода заземления подальше от этих частей или прокладывайте их под углом 90 °, если их разделение неизбежно. Если вы сориентируете входную сторону печатных плат усилителя рядом с входными клеммами на шасси, провода могут быть короткими и вдали от источников помех.

Любое пространство между проводами одной цепи создаст петлю, которая может передавать или принимать электромагнитные поля. Чтобы свести к минимуму площадь петли, следующие наборы проводов должны быть плотно скручены:

  • Горячие и нейтральные провода переменного тока от входной клеммы к трансформатору
  • Провода нулевого и вторичного напряжения переменного тока от трансформатора к источнику питания
  • V +, V- и провода заземления от источника питания к каждой плате усилителя
  • Выходы динамика и провода заземления динамика от платы усилителя / заземления основной системы к клеммам шасси
  • Звуковые входные и входные провода заземления от входных клемм к платам усилителя

Три провода источника питания (V +, V- и заземление) соединяют выход постоянного тока источника питания с каждой платой усилителя. Эти провода должны быть толстыми, как можно короче и плотно скрученными. Я использовал 14 AWG, но все, что больше 18 AWG, должно подойти.

Только низкие токи протекают через входные провода и сигнальные провода заземления, поэтому они не должны быть толстыми. Я использовал твердое ядро ​​22 AWG, которое хорошо работает, потому что его можно скрутить в плотную катушку.

Входные аудиокабели, идущие от источника к корпусу усилителя, могут воспринимать помехи. Если это становится проблемой, вы можете установить конденсатор 1 нФ между заземлением каждой входной клеммы и шасси для его фильтрации.

Провод заземления должен быть прикреплен непосредственно к шасси с помощью болта и кольцевой клеммы. Я бы также использовал стопорную гайку или стопорную шайбу, чтобы она не ослабла. Все металлические части усилителя (например, радиаторы) должны быть электрически подключены к шасси, чтобы обеспечить путь к земле для любых напряжений сети, которые могут соприкасаться с ними в случае неисправности.

Заземление основной системы подключается к цепи защиты заземления (обсуждается ниже), которая затем подключается к шасси. Схема заземления может подключаться к шасси с помощью болта, где провод заземления подключен к шасси, или в отдельном месте.

Две сети Thiele расположены рядом с выходными клеммами динамиков. Для предотвращения помех между индукторами они должны быть разнесены или ориентированы под углом 90 ° друг к другу.

Вот как я установил все внутри своего шасси. Плата правого канала установлена ​​вверх дном, так что входная сторона платы находится близко к входным клеммам RCA и 3,5 мм. При таком расположении радиаторы обеспечивают некоторую защиту от сетей Тиле и проводов переменного тока, ведущих к трансформатору:

Как спроектировать усилитель звука Hi-Fi с LM3886 - схема проводки в шасси

Нажмите на изображение, чтобы посмотреть увеличенную версию.

СХЕМА ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ

Как спроектировать Hi-Fi аудиоусилитель с LM3886 - печатная плата с защитой от замыкания на землю

ЗАЩИТНЫЕ ЦЕПНЫЕ ЦЕПИ МОГУТ БЫТЬ НЕЗАКОННЫМИ В НЕКОТОРЫХ ОБЛАСТЯХ. ПОЖАЛУЙСТА, ПРОВЕРЬТЕ СВОЙ МЕСТНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОД ИЛИ ОБРАТИТЕСЬ К ЭЛЕКТРИКУ, ПРЕЖДЕ ЧЕМ УСТАНОВИТЬ ЭТО…

Когда вы подключаете источник аудио с питанием к усилителю, магнитные поля от трансформатора источника и проводов источника питания могут быть соединены с проводами заземления входных аудиокабелей. Это называется контуром заземления и может создавать помехи на выходе вашего усилителя.

Схема защиты контура заземления прервет ток контура заземления:

Как спроектировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - Схема защиты от замыкания на землю

При нормальных условиях работы токи контура заземления низкого напряжения протекают через резистор (R1) на землю (шасси). Резистор уменьшает этот ток и разрывает контур заземления. В случае сильного короткого замыкания ток короткого замыкания может протекать через диодный мост к земле. Обратите внимание, что шасси ДОЛЖНО быть электрически подключено к заземляющему проводу, чтобы предотвратить возникновение сетевого напряжения на металлическом шасси в случае неисправности. Конденсатор предназначен для фильтрации любых радиочастот, собранных шасси.

Если используется схема защиты контура заземления, все входные и выходные клеммы должны быть электрически изолированы от шасси. В противном случае схема защиты контура заземления будет полностью обойдена проводами заземления входа / выхода, которые подключаются к заземлению основной системы.

Схема защиты контура заземления может быть жестко смонтирована, но немного сложнее установить компоненты на печатную плату. Терминал «PSU 0V» подключается к заземлению основной системы. Терминал «Шасси» подключается к шасси:

Как спроектировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - Схема платы защиты заземления

Нажмите на изображение, чтобы отредактировать макет, изменить посадочные места компонентов и  закажите печатную плату и получите $ 5 .

КАК ЭТО ЗВУЧИТ?

Усилитель, который я построил, звучит невероятно хорошо. Это лучший усилитель, которым я когда-либо владел. Бас очень глубокий и чистый. Вы действительно можете почувствовать это. Максимумы ясны, но совсем не суровы. Я слышу детали в песнях, которые я никогда не знал, были там. Поверьте мне, если вы создадите усилитель на LM3886, вы не будете разочарованы. Он определенно оправдывает свою репутацию усилителя Hi-Fi. Видео в начале поста даст вам представление о том, как оно звучит.

Это должно охватывать большую часть того, что вам понадобится для создания превосходного звучащего Hi-Fi усилителя с LM3886. Из-за продолжительности этого поста я решил не раскрывать детали блока питания, но я могу сделать это в будущем.