Перейти к содержанию

Усилитель звука на LM386: схема, усиление 20 и 200, мощность и нагрев

LM386 — самый простой способ заставить микроконтроллер говорить в динамик: восемь выводов, несколько конденсаторов и питание от 4 до 12 В. Разбираем типовую схему TI с расчётом для 9 В и динамика 8 Ом: как подать звук с ЦАП и не перегрузить вход, когда нужно усиление 200, зачем конденсатор на выводе 7 и цепочка на выходе, какую мощность реально получить и сколько при этом рассеивает корпус.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

LM386 — усилитель мощности звуковой частоты с однополярным питанием: входы привязаны к общему проводу, выход сам устанавливается на половину питания, а усиление задано внутри. Параметры и цоколёвка собраны на странице LM386 и PAM8403; здесь — практическая схема для микроконтроллера: от ЦАП или отфильтрованного ШИМ к динамику 8 Ом при питании 9 В.

Коротко

Питание
4–12 В (LM386N-4: 5–18 В)
Усиление
20 или 200 (26 / 46 дБ)
Вход
не больше ±0,4 В
Мощность
≥ 0,5 Вт при 9 В, 8 Ом (N-3)
Ток покоя
4 мА, до 8 мА
Рассеяние
до 0,55 Вт при 9 В, 8 Ом

Схема

Усилитель на LM386 для динамика 8 Ом от 9 ВЗвуковой сигнал с ЦАП или отфильтрованного ШИМ микроконтроллера через разделительный конденсатор C1 1 мкФ и резистор R1 82 кОм подан на переменный резистор громкости RP1 10 кОм, второй вывод которого на общем проводе. Движок RP1 соединён с неинвертирующим входом LM386 (вывод 3), инвертирующий вход (вывод 2) — на общем проводе. Вывод 6 подключён к +9 В, рядом — конденсаторы C2 0,1 мкФ и C3 100 мкФ на общий провод. Вывод 4 — общий провод, с вывода 7 на общий провод — конденсатор C4 10 мкФ. Между выводами 1 (плюсом) и 8 показан необязательный конденсатор C5 10 мкФ: с ним усиление 200, без него 20. С выхода (вывод 5) на общий провод включена цепочка C6 47 нФ и R2 10 Ом, а к динамику BA1 8 Ом выход подключён через конденсатор C7 220 мкФ плюсом к микросхеме.звук с МКC11 мкФR182 кОмRP110 кОм−+LM386DA1235+9 В6C20,1 мкФ+C3100 мкФ+18C5 10 мкФдля усиления 20047+C410 мкФC647 нФR210 Ом+C7220 мкФBA18 ОмУсиление 20 без C5, 200 с C5; вход не больше ±0,4 В

Схема собрана из рис. 9-1 и 9-3 даташита TI. Сигнал приходит на неинвертирующий вход (вывод 3) с движка регулятора громкости, инвертирующий вход (вывод 2) заземлён. Выход (вывод 5) находится на половине питания, поэтому динамик подключают через конденсатор C7 плюсом к микросхеме. Цепочка C6–R2 на выходе есть на рис. 9-1, 9-3 и 9-5 даташита, конденсатор C4 на выводе 7 — на рис. 9-3 и 9-5; даташит не поясняет назначение цепочки, но убирать её из типовой схемы не стоит. Питание подают на вывод 6 и ставят конденсатор у самого вывода (разд. 10).

Расчёт для 9 В и 8 Ом

  1. Мощность. По графику TI выходное напряжение на 8 Ом при 9 В — около 6 В размаха (рис. 6-3, ориентировочно). Мощность синуса с таким размахом:
P=(Uр-р/22)2Rн≈0,56 Вт.P = \frac{(U_\text{р-р} / 2\sqrt{2})^2}{R_\text{н}} \approx 0{,}56\ \text{Вт}.

Это согласуется с даташитом: LM386N-3 при 9 В и 8 Ом даёт не меньше 500 мВт, но при искажениях 10 %. При 125 мВт искажения всего 0,2 %, поэтому для чистого звука рассчитывайте на сотни милливатт. Динамик 4 Ом при 9 В почти не прибавит: по тому же графику его размах ограничен примерно 3,6 В, это около 0,4 Вт.

  1. Входной уровень. При усилении 20 для размаха 6 В на выходе нужно 6 / 20 = 0,3 В на входе. Вход допускает ±0,4 В. ЦАП микроконтроллера с питанием 3,3 В выдаёт до 3,3 В размаха около середины питания, поэтому C1 убирает постоянную составляющую, а R1 вместе с регулятором RP1 10 кОм ослабляет сигнал. На максимуме громкости движок RP1 нагружен входным сопротивлением LM386 50 кОм, и нижнее плечо — 10 ∥ 50 = 8,3 кОм. С R1 = 82 кОм это ослабление в 11 раз: 3,3 · 8,3 / 90,3 ≈ 0,30 В (наш расчёт; со 100 кОм было бы 0,25 В, и выход недобрал бы до полной громкости). Частота среза C1 с этим делителем — 1/(2π · 90 кОм · 1 мкФ) ≈ 1,8 Гц, басы она не трогает.

  2. Смещение. Входы внутри подтянуты к общему проводу резисторами 50 кОм, входной ток около 250 нА. TI советует при сопротивлении источника по постоянному току меньше 10 кОм заземлять неиспользуемый вход — тогда смещение около 2,5 мВ на входе и 50 мВ на выходе (разд. 9.2.1.2.2). Регулятор 10 кОм как раз такой источник, и вывод 2 заземлён.

  3. Выходной конденсатор. Вместе с динамиком он образует фильтр верхних частот: f = 1/(2π · Rн · C). TI ставит 250 мкФ — это 80 Гц на 8 Ом; со стандартными 220 мкФ получится 90 Гц, с 470 мкФ — 42 Гц (наш расчёт). Маленький динамик всё равно не воспроизводит низкие частоты, но для динамика побольше берите 470 мкФ. Напряжение конденсатора — не ниже питания.

  4. Нагрев. Наибольшее рассеяние усилителя класса B с разделительным конденсатором (наш расчёт, а не цифра TI) — около Uпит2/(2π2Rн) плюс ток покоя:

Pрас≈922π2⋅8+9⋅0,004≈0,55 Вт.P_\text{рас} \approx \frac{9^2}{2\pi^2 \cdot 8} + 9 \cdot 0{,}004 \approx 0{,}55\ \text{Вт}.

В корпусе DIP (RθJA 53,4 °C/Вт) это нагрев на 29 °C, в SOIC (115,7 °C/Вт) — на 64 °C. Допустимое рассеяние корпуса — 1,25 Вт у LM386N и 0,73 Вт у LM386M. При 12 В и 8 Ом та же формула даёт около 1 Вт — больше допустимого для SOIC, если долго выводить синус на полную мощность. Речь и музыка в среднем греют микросхему намного меньше, но для гудков и сирен на полной громкости это учитывают.

Усиление 20 и 200

Внутри LM386 обратную связь задают резисторы 15 кОм, 150 Ом и 1,35 кОм. Со свободными выводами 1 и 8 усиление 20 (26 дБ). Конденсатор 10 мкФ между выводами 1 и 8 шунтирует 1,35 кОм, и усиление растёт до 200 (46 дБ). Резистор последовательно с конденсатором даёт промежуточное значение — TI приводит пример с 1,2 кОм и подписывает его как усиление 50 (рис. 9-5).

Простая оценка по внутренним резисторам, A ≈ 2 · 15 кОм/(150 Ом + 1,35 кОм ∥ R), даёт ровно 20 и 200 на краях, но для 1,2 кОм — около 38, а не 50 (наш расчёт). Даташит формулы для промежуточных значений не приводит, поэтому промежуточное усиление подбирают по факту.

Для сигнала с ЦАП усиление 200 не нужно: полный размах получится уже от 30 мВ на входе, а шум и наводки усилятся в 10 раз сильнее. Оно пригодится для электретного микрофона или детектора радиоприёмника. При усилении 200 неиспользуемый вход обязательно заземляют или шунтируют конденсатором 0,1 мкФ — иначе усиление падает и усилитель может стать неустойчивым (разд. 9.2.1.2.2).

Подъём басов TI делает цепочкой RC между выводами 1 и 5. Резистор в ней — не меньше 10 кОм при свободном выводе 8 и не меньше 2 кОм, если выводы 1 и 8 зашунтированы: усилитель скорректирован только для усиления больше 9.

Вывод BYPASS и питание

Конденсатор на выводе 7 развязывает внутреннюю цепь смещения от пульсаций питания. С 10 мкФ подавление пульсаций питания — 50 дБ на 1 кГц; без конденсатора, по графику рис. 6-2, — всего 6–8 дБ. При 100 мВ пульсаций на шине 9 В и 50 дБ подавления на выход попадает около 0,3 мВ, без конденсатора — несколько десятков милливольт (наш расчёт). Это гудение или писк в динамике, если питание общее с цифровой частью.

У вывода 6 ставят керамику 0,1 мкФ и электролит 100 мкФ: при синусе на 8 Ом ток потребления доходит до 3 В / 8 Ом ≈ 0,38 А в пике (наш расчёт), и без запаса ёмкости питание проседает в такт звуку.

Источник сигнала от микроконтроллера

  • ЦАП микроконтроллера подключают как на схеме: конденсатор, делитель, регулятор.
  • ШИМ сначала превращают в аналоговый сигнал фильтром нижних частот, частота среза — выше звукового диапазона и намного ниже несущей (калькулятор RC-фильтра). Полоса LM386 — 300 кГц, и несущая без фильтра пройдёт на динамик, нагревая его и усилитель.
  • Если нужна громкость больше 0,5 Вт от 5 В или батареи, удобнее усилитель класса D — например, PAM8403: 3 Вт на 4 Ом при 5 В и искажениях 10 %, КПД до 90 % (Diodes DS36439). Производитель пометил её как не рекомендованную для новых разработок, замена — PAM8406. Подробнее — на странице LM386 и PAM8403.

Детали

ПозицияДетальПримечание
DA1LM386N-3 (DIP) или LM386M-1 (SOIC)4–12 В
C11 мкФ, плёнка или керамикаразвязка от постоянной составляющей
R1, RP182 кОм, 10 кОм переменныйослабление в 11 раз с учётом входа 50 кОм
C2, C30,1 мкФ и 100 мкФ, 16 Ву вывода 6
C410 мкФ, 16 ВBYPASS, вывод 7
C510 мкФтолько для усиления 200
C6, R247 нФ, 10 Омот выхода на общий провод
C7220–470 мкФ, 16 Вплюсом к выводу 5
BA1динамик 8 Ом, 0,5 Вт и больше

Почему не работает

  • Хрипит уже на средней громкости. Перегружен вход: размах больше 0,3 В при усилении 20 доводит выход до ограничения. Увеличьте R1 или уменьшите сигнал программно.
  • Гудит или пищит в такт работе процессора. Нет конденсатора на выводе 7 или общий с цифровой частью провод питания и земли. Поставьте 10 мкФ на BYPASS и разведите землю усилителя отдельно к источнику.
  • Микросхема греется без сигнала. Похоже на самовозбуждение. Сверьте схему с типовой: цепочка 10 Ом и 0,05 мкФ на выходе, заземлённый неиспользуемый вход (при усилении 200 TI называет это обязательным), конденсатор у вывода питания, короткие провода.
  • Тихо и без басов. Маленький выходной конденсатор: со 100 мкФ частота среза на 8 Ом уже 200 Гц.
  • Щелчки и свист при ШИМ. Нет фильтра нижних частот или частота ШИМ слишком низкая — её гармоники попадают в звуковой диапазон.

Частые вопросы

Какую мощность даёт LM386?

По даташиту TI — не меньше 250 мВт при 6 В и динамике 8 Ом у LM386N-1, не меньше 500 мВт при 9 В и 8 Ом у LM386N-3 и не меньше 700 мВт при 16 В и 32 Ом у LM386N-4. Все цифры — при искажениях 10 %, то есть на пороге заметного ограничения. Чистый звук получается при мощности в несколько раз меньше.

Как получить усиление 200?

Поставить конденсатор 10 мкФ между выводами 1 и 8, плюсом к выводу 1. Он шунтирует внутренний резистор 1,35 кОм, и усиление растёт с 20 до 200 (с 26 до 46 дБ). Неиспользуемый вход при этом обязательно заземляют или шунтируют конденсатором 0,1 мкФ, иначе TI предупреждает о падении усиления и возможной неустойчивости.

Можно ли подключить LM386 прямо к выводу ЦАП или ШИМ микроконтроллера?

Нет. Вход LM386 рассчитан на ±0,4 В, а при усилении 20 для полной громкости нужно всего около 0,3 В размаха. Сигнал 3,3 В надо ослабить делителем примерно в 11 раз и убрать постоянную составляющую конденсатором. ШИМ сначала пропускают через фильтр нижних частот: полоса LM386 — 300 кГц, и несущая ШИМ без фильтра пройдёт на динамик.

Почему с динамиком 4 Ом громче не становится?

При 9 В по графику TI выходное напряжение на 4 Ом ограничено примерно 3,6 В размаха против 6 В на 8 Ом, поэтому мощность на 4 Ом даже меньше — около 0,4 Вт против 0,56 Вт по нашему расчёту. А рассеяние микросхемы на 4 Ом вдвое больше.

Источники

  1. Texas Instruments. LM386 Low Voltage Audio Power Amplifier (SNAS545D, revised August 2023) — внутренняя схема — резисторы 15 кОм, 150 Ом, 1,35 кОм, входы подтянуты к общему проводу через 50 кОм; разд. 5 — выводы: 1 и 8 GAIN, 2 −INPUT, 3 +INPUT, 4 GND, 5 VOUT, 6 VS, 7 BYPASS; разд. 6.1 — питание предельно 15 В (LM386N-4 — 22 В), рассеяние корпуса LM386N 1,25 Вт, LM386M 0,73 Вт, LM386MM-1 0,595 Вт, вход ±0,4 В; разд. 6.3 — питание 4–12 В (LM386N-4: 5–18 В), динамик от 4 Ом, воздух 0–70 °C; разд. 6.4 — RθJA 115,7 °C/Вт SOIC, 169,3 VSSOP, 53,4 PDIP; разд. 6.5 — ток покоя 4 и до 8 мА при 6 В, мощность не меньше 250 мВт (325 типично) при 6 В и 8 Ом у LM386N-1, M-1, MM-1, не меньше 500 мВт (700) при 9 В и 8 Ом у LM386N-3, не меньше 700 мВт (1000) при 16 В и 32 Ом у LM386N-4 — всё при искажениях 10 %; усиление 26 дБ и 46 дБ с 10 мкФ между выводами 1 и 8, полоса 300 кГц, искажения 0,2 % при 125 мВт, PSRR 50 дБ при 1 кГц с 10 мкФ на BYPASS, входное сопротивление 50 кОм, входной ток 250 нА; рис. 6-2 — PSRR от ёмкости BYPASS; рис. 6-3 — выходное напряжение от питания для 4, 8, 16 Ом; разд. 9.2.1.2.1 — усиление 20 от внутреннего резистора 1,35 кОм, 200 с конденсатором, промежуточное — резистор последовательно с конденсатором; RC между выводами 1 и 5 для подъёма басов, не меньше 10 кОм при свободном выводе 8 и 2 кОм при шунтированных 1–8, усилитель скорректирован для усиления больше 9; разд. 9.2.1.2.2 — смещение входов, неиспользуемый вход заземляют, при большом усилении его обязательно шунтируют; рис. 9-1, 9-3, 9-5 — схемы с усилением 20, 200 и 50 (1,2 кОм + 10 мкФ): регулятор громкости 10 кОм, выход через 250 мкФ, на выходе 0,05 мкФ и 10 Ом на общий провод; разд. 10 — конденсатор у вывода питания
  2. Diodes Incorporated. PAM8403 Filterless 3W Class-D Stereo Audio Amplifier (DS36439 Rev. 2-3, September 2020) — 3 Вт на 4 Ом при 5 В и искажениях 10 %, КПД до 90 %, защита от замыкания и перегрева; помечена как не рекомендованная для новых разработок, замена — PAM8406

Нашли ошибку?

Смотрите также