Микросхемы усилителей звука

Справочные карточки микросхем усилителей звука, которые ставят в небольшие устройства: от пищалки на плате до стереоусилителя на 2 × 50 Вт. Разбираем, чем различаются классы AB и D, однотактный и мостовой выход и как читать строку выходной мощности в даташите.

Усилитель мощности звука превращает слабый сигнал — с выхода ЦАП, ШИМ микроконтроллера или звукового модуля — в ток, достаточный для динамика. Для небольших устройств выпускают готовые микросхемы, которым нужно лишь несколько внешних деталей. Как связаны напряжение, мощность и громкость в децибелах, можно посчитать калькулятором децибел, а для предварительных каскадов и фильтров берут ОУ вроде NE5532.

Карточки

Микросхема	Класс	Каналов	Питание	Мощность	Особенность
LM386	AB, однотактный выход	1	4–12 В (LM386N-4: 5–18 В)	325 мВт на 8 Ом при 6 В	усиление 20–200, ток покоя 4 мА
PAM8403	D, мостовой выход	2	2,5–5,5 В	3,2 Вт на 4 Ом при 5 В и 10 %	КПД до 90 %, без выходных фильтров
TDA2030A	AB, выход относительно общего провода	1	±6…±22 В или до 44 В	18 Вт на 4 Ом при ±16 В и 0,5 %	снят с производства, нужен радиатор
LM1875	AB, выход относительно общего провода	1	16–60 В полного напряжения	25 Вт на 8 Ом при ±25 В и 1 %	корпус TO-220-5, ограничение тока и тепловая защита, нужен радиатор
LM3886	AB, выход относительно общего провода	1	20–84 В полного напряжения	68 Вт на 4 Ом при ±28 В и 0,1 %	корпус TO-220-11, изолированное исполнение TF, вход MUTE, защита SPiKe
TPA3116D2	D, мостовой выход	2 или 1 (моно PBTL)	4,5–26 В	50 Вт на 4 Ом при 21 В и 10 %	усиление 20–36 дБ делителем, ограничение мощности, площадка сверху под радиатор

Источником сигнала для такого усилителя часто служит звуковой ЦАП с входом I²S:

Микросхема	Тип	Каналов	Питание	Выход	Особенность
PCM5102A	стереоЦАП I²S, 16–32 бита, до 384 кГц	2	3,3 В (цифра 1,8 или 3,3 В)	линейный 2,1 В ср. кв. на 1–10 кОм	112 дБ, без MCLK — PLL от BCK, выход без разделительных конденсаторов

Что смотреть в даташите усилителя

Строка даташита	Что означает
Supply voltage	рабочий диапазон питания; у PAM8403 предел 6 В, и четыре свежие щелочные батарейки его превышают
Output power	мощность на заданной нагрузке при заданных искажениях (1 или 10 % THD) и питании
Load impedance	допустимое сопротивление динамика — 4, 8, 16 или 32 Ом
Voltage gain	усиление: фиксированное или задаваемое внешними элементами
Quiescent current	ток без сигнала — важен при питании от батареи
THD+N	коэффициент искажений вместе с шумом при заданной мощности
PSRR	насколько пульсации питания проникают в выходной сигнал
Efficiency	доля мощности, которая доходит до динамика; у класса D — около 90 %

Нагрев микросхемы определяется мощностью, которую она рассеивает сама, — разностью между потребляемой от источника и отданной в динамик. При КПД около 90 %, как у PAM8403, это лишь десятая часть потребляемой мощности.

Частые вопросы

Чем усилитель класса D отличается от класса AB?

Класс AB усиливает сигнал линейно, и выходные транзисторы постоянно рассеивают заметную мощность. Класс D переключает выходные ключи с высокой частотой — у PAM8403 260 кГц — и меняет ширину импульсов, поэтому ключи почти не греются: Diodes указывает КПД PAM8403 до 87–90 %. Расплата — высокочастотные помехи, которые гасят ферритовыми фильтрами.

Как понимать выходную мощность в даташите?

Всегда вместе с условиями: напряжением питания, сопротивлением нагрузки и коэффициентом нелинейных искажений. У PAM8403 при 5 В на 4 Ом — 3,2 Вт при искажениях 10 % и 2,5 Вт при 1 %. Мощность при 10 % — это уже заметное ограничение сигнала, поэтому для оценки реальной громкости ориентируются на значение при 1 %.

Что такое мостовой выход?

Динамик подключают между двумя выходами, которые работают в противофазе, а не между выходом и общим проводом. Размах напряжения на динамике удваивается, конденсатор на выходе не нужен. У PAM8403 выходы мостовые: динамик каждого канала включают между выводами +OUT и −OUT. У LM386 выход однотактный, и динамик включают через конденсатор на общий провод.