VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF RADIO ELECTRONICS

HYBRIDNÍ SLUCHÁTKOVÝ ZESILOVAČ PRO VYSOCE JAKOSTNÍ REPRODUKCI THE HYBRID HEADPHONE AMPLIFIER FOR HIGH QUALITY REPRODUCTION

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR’S THESIS

AUTOR PRÁCE

Adam Čacký

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO, 2012

doc. Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav radioelektroniky

Bakalářská práce bakalářský studijní obor Elektronika a sdělovací technika Adam Čacký 3

Student: Ročník:

ID: 115160 Akademický rok: 2011/2012

NÁZEV TÉMATU:

Hybridní sluchátkový zesilovač pro vysoce jakostní reprodukci POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: V teoretické části práce proveďte simulaci a návrh obvodového zapojení sluchátkového zesilovače s nastavením hlastitosti a pro vysoce jakostní poslech na dynamická sluchátka. Dále proveďte návrh napájecího zdroje, kde zvažte zejména možnost akumulátorového napájení zesilovače s integrovaným nabíjecím obvodem. Pro konstrukci zesilovače zvolte jakostní a nízkošumové OZ (NE5534, OPA2604, TL072 apod.) a vhodný integrovaný koncový stupeň pro sluchátka (BUF634 apod.). V praktické části práce vytvořte kompletní konstrukční podklady k realizaci návrhu (schéma zapojení, návrh desky plošného spoje, rozložení a soupiska součástek, výpis programu řízení mikroprocesoru a jeho vývojové schéma atd.). Navržené zařízení realizujte formou funkčního prototypu a experimentálním měření v laboratoři nízkofrekvenční elektroniky ověřte jeho činnost. Výsledky měření zpracujte formou standardního protokolu. DOPORUČENÁ LITERATURA: [1] WIRSUM, S. Abeceda nf techniky. Praha: BEN – technická literatura, 2003. [2] TALBOT-SMITH, M. Audio Engineer’s Reference Book, Second Edition. Oxford: Focal press, 1999. [3] METZLER, B. Audio Measurement Handbook. Beaverton: Audio Presision, Inc., 1993. Termín zadání:

6.2.2012

Termín odevzdání:

25.5.2012

Vedoucí práce: doc. Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D. Konzultanti bakalářské práce:

UPOZORNĚNÍ:

prof. Dr. Ing. Zbyněk Raida Předseda oborové rady

Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

ABSTRAKT Tato bakalářská práce se zabývá návrhem malého přenosného sluchátkového zesilovače vysoké kvality pro dynamická sluchátka. Součástí práce jsou teoretické předpoklady pro optimální návrh a realizaci obvodového zapojení, porovnání vlastností užitých součástek a výsledné parametry modelovaného zařízení. Součástí jsou analýzy elektrických veličin v obvodu vytvořených v simulačním softwaru.

ABSTRACT This bachelor´s thesis describes the design of a high quality small portable headphone amplifier for dynamic headphones. Part of the work is theoretical assumptions for the optimal design and implementation of peripheral involvement, comparing the properties of components used and the resulting parameters of modeled device. Analyses of the electrical quantities of the circuit created in simulation software are enclosed.

KLÍČOVÁ SLOVA Sluchátka, zesilovač, OZ, budič, dynamika, výkon, stabilizace, akumulátor, napájecí zdroj.

KEYWORDS Headphones, amplifier, OA, buffer, dynamics, power, stabilization, battery, power supply.

ČACKÝ, A. Hybridní sluchátkový zesilovač pro vysoce jakostní reprodukci. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Ústav radioelektroniky, 2012. 43 s., 26 s. příloh. Bakalářská práce. Vedoucí práce: doc. Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D.

OBSAH Seznam obrázků

iv

Seznam tabulek

vi

Úvod

1

1

2

2

Sluchátkové zesilovače 1.1

Požadované vlastnosti sluchátkového zesilovače ............................ 2

1.2

Hlavní části zesilovače.................................................................... 3

Hybridní napájení 2.1

Akumulátorový provoz................................................................... 4

2.1.1

Předpoklady pro napájení zesilovače akumulátorem .................. 4

2.1.2

Technologie akumulátorů ........................................................... 5

2.1.3

Porovnání typů akumulátorů ..................................................... 6

2.1.4

Charakteristika Li-Ion článku ..................................................... 6

2.1.5

Nabíjení Li-Ion baterie ............................................................... 8

2.1.6

Správa Li-Ion baterie.................................................................. 9

2.2 2.2.1 3

4

Provoz z externího napájecího zdroje ............................................. 9 Topologie zdroje ......................................................................... 9

Návrh signálové části zesilovače 3.1

10

Návrh obvodu předzesilovače ....................................................... 10

3.1.1

Návrh vstupní části zesilovače .................................................. 10

3.1.2

Volba operačního zesilovače ..................................................... 12

3.1.3

Charakteristika obvodu OPA134 .............................................. 13

3.1.4

Zapojení obvodu předzesilovače ................................................ 14

3.2 3.2.1

Návrh obvodu koncového stupně ................................................. 15 Volba budiče ............................................................................ 15

i

3.2.2

Charakteristika obvodu BUF634 .............................................. 16

3.2.3

Volba koncového ochranného odporu ....................................... 17

3.2.4

Zpětná vazba zesilovače............................................................ 18

3.2.5

Zapojení obvodu koncového stupně .......................................... 19

3.3

4

3.3.1

Funkce obvodu ......................................................................... 21

3.3.2

Zapojení obvodu ....................................................................... 21

Návrh vnitřní napájecí části zesilovače 4.1 4.1.1 4.2

6

7

22

Volba akumulátoru ...................................................................... 22 Charakteristika akumulátoru Sanyo UF463048F ...................... 22 Manažer akumulátoru .................................................................. 23

4.2.1

Charakteristika obvodu MAX745 ............................................. 24

4.2.2

Indikace nabíjecího procesu ...................................................... 24

4.3

5

Nastavení OZ do třídy A ............................................................. 20

Napájecí část zesilovače ............................................................... 25

4.3.1

Vytvoření symetrického napájecího napětí ............................... 25

4.3.2

Indikace provozního stavu ........................................................ 25

Návrh externího zdroje

27

5.1

Charakteristika LM317 ................................................................ 27

5.2

Stabilizace napětí ......................................................................... 27

5.2.1

Návrh obvodu stabilizace ......................................................... 27

5.2.2

Zapojení obvodu stabilizace ...................................................... 29

5.2.3

Kapacitní násobič ..................................................................... 29

Konstrukce zesilovače

31

6.1

Stavba zesilovače ......................................................................... 31

6.2

Stavba externího zdroje ............................................................... 31

Závěr

32

Literatura

34

ii

Seznam symbolů, veličin a zkratek

37

Seznam příloh

38

iii

SEZNAM

OBRÁZKŮ

Obr. 1 Blokové schéma zesilovače ....................................................................... 3 Obr. 2 Průběh napětí a proudu při nabíjení akumulátoru Li-Ion [8] ................... 8 Obr. 3 Zapojení obvodu předzesilovače ............................................................. 14 Obr. 4 Vnitřní struktura budiče BUF634 [19] ................................................... 17 Obr. 5 Neinvertující zesilovač ............................................................................ 18 Obr. 6 Zapojení obvodu koncového stupně BUF634 .......................................... 20 Obr. 7 Zapojení obvodu pro potlačení přechodového zkreslení .......................... 21 Obr. 8 Klasické zapojení obvodu LM317 ........................................................... 28 Obr. 9 Zapojení stabilizační části externího zdroje ............................................ 29 Obr. 10 Zapojení signálové části sluchátkového zesilovače ................................ 39 Obr. 11 Zapojení nabíjecího obvodu a správy akumulátorů .............................. 40 Obr. 12 Zapojení napájecí části zesilovače ......................................................... 41 Obr. 13 Zapojení externího stabilizovaného zdroje ............................................ 41 Obr. 14 Zapojení obvodu akumulátorů .............................................................. 42 Obr. 15 Zapojení vybraných typů OZ k porovnávací analýze ........................... 43 Obr. 16 Charakteristika porovnání rozkmitu výstupního napětí vybraných OZ 44 Obr. 17 Zapojení signálové části sluchátkového zesilovače ................................ 45 Obr. 18 Frekvenční a fázová charakteristika zesilovače v dB ............................ 46 Obr. 19 Amplitudová a výkonová charakteristika ............................................. 47 Obr. 20 Amplitudová a výkonová charakteristika ............................................. 47 Obr. 21 Měření doby přeběhu, stabilita zesilovače ............................................ 48 Obr. 22 PCB zesilovače, strana top, 100,5x100,0 mm, M 1:1 ............................ 49 Obr. 23 PCB zesilovače, strana bottom, 100,5x100,0 mm, M 1:1 ...................... 50 Obr. 24 Osazeni PCB zesilovače, strana top, 100,5x100,0 mm, M 1:1 ............... 51 Obr. 25 PCB akumulátorů, strana top, 78x62 mm, M 1:1 ................................ 51 Obr. 26 PCB akumulátorů, strana bottom, 78x62 mm, M 1:1 .......................... 52

iv

Obr. 27 Osazeni PCB akumulátorů, strana top, 78,5x62 mm, M 1:1 ................ 52 Obr. 28 Osazeni PCB akumulátorů, strana bottom, 78,5x62 mm, M 1:1 .......... 52 Obr. 29 PCB externího stabilizovaného zdroje, strana bottom, 113x64,8 mm, M 1:1 ............................................................................................... 53 Obr. 30 Osazení PCB externího stabilizovaného zdroje, top, 113x64,8 mm, ........ M 1:1 ................................................................................................ 53 Obr. 31 Modulová kmitočtová charakteristika zesilovače .................................. 58 Obr. 32 Fotografie přední části zesilovače ......................................................... 61 Obr. 33 Fotografie zadní části zesilovače ........................................................... 61 Obr. 34 Fotografie horní části zesilovače ........................................................... 62 Obr. 35 Fotografie vnitřní části zesilovače ........................................................ 62 Obr. 36 Fotografie vnitřní odkryté části zesilovače ........................................... 63

v

SEZNAM

TABULEK

Tab. 1 Orientační porovnání parametrů běžných typů akumulátorů .................. 6 Tab. 2 Porovnání parametrů vybraných typů OZ ............................................. 13 Tab. 3 Porovnání parametrů vybraných integrovaných obvodů ........................ 16 Tab. 4 Parametry akumulátoru Sanyo UF463048F ........................................... 23 Tab. 5 Seznam součástek – PCB zesilovače....................................................... 54 Tab. 6 Seznam součástek – PCB akumulátorů .................................................. 56 Tab. 7 Seznam součástek – PCB externí stabilizovaný zdroj ............................ 56

vi

ÚVOD Sluchátkové zesilovače tvoří význačnou skupinu audio zařízení, která stále více nachází uplatnění nejen v profesionálním prostředí nahrávacích studií, ale ve velkém měřítku především v přenosných zařízeních, která v poslední době zažívají vysoký technologický rozvoj. V této souvislosti jsou čím dál více kladeny velké nároky na kvalitu a vysokou dynamiku reprodukce a s tím spojenou špičkovou sluchátkovou elektroniku. Díky charakteru a parametrům elektroakustického měniče využitém u sluchátek, musí být obvod sluchátkového zesilovače zcela jinak koncipován, než je tomu u zesilovačů výkonových určených pro připojení reproduktorů. U všech sluchátkových zesilovačů je kladen důraz na kvalitu výstupního signálu, která je z největší části ovlivněná použitými součástkami a nastavením celého obvodového zapojení. Při návrhu i simulaci obvodu je třeba brát zřetel na různé zdroje signálu, jakožto i různé typy sluchátek sloužící jako kvalitativní měřítko hudebních vlastností zesilovače. Tato práce si klade za cíl nalezení kvalitního zapojení obvodu zesilovače s nastavením hlasitosti a návrh elektrického zapojení, jakožto teoretický popis dílčích bloků sluchátkového zesilovače, obvodu pro napájení akumulátorem, externího stabilizovaného zdroje, to vše doplněno simulacemi charakteristik signálové části obvodu v návrhovém a simulačním softwaru Orcad Capture/PSpice. Praktickým výstupem práce je realizace funkčního prototypu spolu s vytvořením všech konstrukčních podkladů. Záměrem je navrhnout a zkonstruovat zařízení, které se svými rozměry, potažmo složitostí, bude blížit přenosným zesilovačům, ale svým zvukovým projevem se bude moci porovnávat s kvalitními stolními či dokonce studiovými profesionálními zařízeními. Z tohoto důvodu jsou v práci uvedeny i porovnání katalogových údajů klíčových součástek a teoretické rozbory zdůvodňující využití konkrétní součástky v daném zapojení. Chování zrealizovaného zařízení, spolu se všemi parametry je zhodnoceno v závěru práce. Výsledky práce jsou podpořeny experimentálním měřením výsledného zařízení v laboratoři nízkofrekvenční elektroniky.

1

1

SLUCHÁTKOVÉ

ZESILOVAČE

Sluchátkové zesilovače tvoří zcela specifickou skupinu nízkofrekvenčních zesilovačů. V případě, že požadujeme dosažení špičkových parametrů konstruovaného audio-zařízení, není v dnešní době třeba použít složité, rozměrově a ekonomicky náročné řešení pomocí diskrétního zapojení. Poslední generace jakostních integrovaných obvodů již dosahuje parametry, které v mnohém předčí diskrétní systémy, navíc přináší mnohé další možnosti použití těchto zesilovačů díky použité miniaturizaci a vysoké účinnosti vnitřních struktur [1]. Kvalitní dynamická sluchátka ve spojení s vynikající elektronikou příslušného zesilovače jsou cestou k vysoce jakostnímu poslechu hudby všech žánrů, a to především za přijatelné pořizovací náklady a nízkými požadavky na prostor. V porovnání s reprosoustavami buzenými výkonovými zesilovači, je pro dosažení stejné kvalitativní úrovně poslechu zapotřebí poměrně vysoké investice. Pokud jde tedy uživateli především o hudební požitek z poslechu, není třeba přistupovat k ozvučení celé místnosti pomocí rozměrné vícepásmové reprosoustavy doplněné nákladným výkonovým zesilovačem, který navíc obvykle nedisponuje valnou energetickou účinností.

1.1

Požadované vlastnosti sluchátkového zesilovače

Konstruované zesilovač musí splňovat všechny předpoklady nejen pro dosažení kvalitního poslechu (třída Hi-Fi), ale především musí plnit standardy přenositelného zařízení a z toho vyplývající princip konstrukce. Požadavky na vlastnosti navrhovaného zesilovače: Dostatečně vysoký výstupní výkon (špičkový)

>100 mW/16 Ω >10 mW/600 Ω

Připojení sluchátek o impedanci Výdrž na jedno nabití Široký kmitočtový rozsah Velmi nízké zkreslení Vysoký odstup signál/šum Nízká hmotnost Malé rozměry, mobilita

2

16 – 600 Ω >5 hodin >30 kHz >0,01 % >95 dB

1.2

Hlavní části zesilovače

Konstruovaný zesilovač je tvořen několika hlavními částmi (viz. Obr. 1). O regulaci úrovně a zesílení signálu se stará předzesilovač (OZ) spolu s koncovým budičem (buffer). Mezi tyto komponenty je zařazen obvod pro minimalizaci přechodového zkreslení zesilovače. Pro účel napájení slouží sada 4 nabíjecích akumulátorů s vysokou kapacitou zapojených do série. O kompletní správu baterií se stará víceúčelový nabíjecí obvod, který udržuje akumulátory nabité na plnou kapacitu, zároveň je chrání proti přebití a hlubokému vybití. Doplňující samostatná část sluchátkového zesilovače je tvořena externím stabilizovaným zdrojem, který slouží jako zdroj energie pro zesilovač i pro nabíjecí obvody baterií a umožňuje i kombinovaný provoz.

Obr. 1 Blokové schéma zesilovače

3

2

HYBRIDNÍ

NAPÁJENÍ

Spolu s rozvojem přenosných audio – zařízení jsou kladeny požadavky na získání kvalitního hudebního signálu pro buzení dynamických měničů sluchátek i mimo zdroje napájecího (síťového) napětí. Z tohoto důvodu se na trhu začínají objevovat sluchátkové zesilovače samostatného provedení, které používají hybridní systém zásobení elektrickou energií. Takový zesilovač je možné napájet z externího zdroje (adaptéru) stejnosměrného napětí, popř. napájením z USB či FireWire rozhraní počítače, ale zároveň je možné zajistit provoz pomocí interně zabudovaného akumulátoru. Akumulátor zajistí napájení všech obvodů zesilovače bez ztráty elektrických vlastností obvodu po dobu v řádu několika hodin. Samozřejmostí je rychlé nabíjení akumulátoru pomocí integrovaného dobíječe, kombinovaný provoz (aktivní využití zesilovače během nabíjení akumulátoru), ochrana před hlubokým vybitím, ochrana před přebíjením a indikace stavu baterií. Baterie zesilovači poskytují relativně tvrdý zdroj napájecího napětí a navíc se není třeba obávat elektromagnetického rušení, které by mohlo proniknout do signálové části obvodu v podobě nežádoucích složek ze sítě, popř. z počítače [2].

2.1

Akumulátorový provoz

2.1.1 Předpoklady pro napájení zesilovače akumulátorem Zabudovaný akumulátor může sloužit jako výhradní, popř. záložní zdroj elektrické energie, proto tvoří klíčovou část celého zařízení. Od jeho parametrů a vlastností se odvíjí návrh celé signálové části i externího zdroje napětí. Kapacita akumulátoru je vždy limitující pro výstupní výkon dodaný do sluchátek. Při návrhu zesilovače je potřeba brát zřetel na různé parametry sluchátek, které tvoří zátěž pro koncový stupeň. V této souvislosti se výrazně projevuje impedance použitých sluchátek. Hodnota jmenovité impedance dynamického měniče sluchátek může nabývat hodnot od 16 – 600 Ω. Vzhledem k tomuto rozsahu je třeba zajistit dostatečně velký napěťový rozkmit výstupního signálu a s tím související výkon koncového stupně [3].

4

Pracovní napětí článků baterií a jejich počet je rozhodující pro výběr operačních zesilovačů a integrovaného výkonového stupně. Předpokladem je, aby napájecí napětí, které dodávají akumulátory, bylo co možná nejvyšší, pro dosažení vysokého výkonu a dynamiky na výstupu zesilovače. Pro volbu počtu článků a jejich typu je ovšem limitující zachování relativně malých rozměrů a hmotnosti celého zařízení, aby bylo možné jej snadno přenášet. V tomto ohledu je třeba docílit poměrně složitého kompromisu v poměru výkon/výdrž/mobilita.

2.1.2 Technologie akumulátorů Při volbě složení, resp. typu zabudovaného akumulátoru je třeba vycházet z nároků kladených na výsledné zařízení (viz výše) a specifiky technologie uchování energie uvnitř článku. Základními ukazateli technologie článku pro akumulaci energie jsou [4]: Jmenovité napětí [V] Účinnost [%] Samovybíjení [%/den] Měrný výkon [W/kg] Hustota energie [Wh/kg, Wh/l] Max. nabíjecí proud Max. vybíjecí proud Počet nabíjecích cyklů Bezpečnost provozu Cena

Pro možnost napájení zesilovače akumulátorem rozlišujeme články podle jejich chemického složení. Mezi běžně dostupné akumulátory patří články typu: Pb – olověný (gelový) NiCd – Nikl-kadmiový NiMh – Nikl-metal-hydridový Li-Ion – Lithium-iontový Li-Pol – Lithium-polymerový

5

2.1.3 Porovnání typů akumulátorů Při porovnání vhodnosti daného typu akumulátoru a jeho výhod či nedostatků (viz. Tab. 1) se nejvíce projevuje potřeba dosažení vysokého napájecího napětí pro obvod zesilovače při zachování vysoké kapacity, malých rozměrů a hmotnosti použité baterie. Tyto závislosti můžeme popsat jako závislost napětí článku [V] na kapacitě [mAh], a závislost specifické hustoty energie [mWh/t] na objemové hustotě energie [mWh/m3] [4]. Z těchto poměrů i ze všech uvedených předpokladů vychází nejlépe akumulátor typu Li-Ion. Tab. 1 Orientační porovnání parametrů běžných typů akumulátorů Typ akumulátoru

Pb

Ni-Cd

Ni-Mh

Li-Ion

Li-Pol

Jmenovité napětí článku [V]

2,0

1,2

1,2

3,7

3,7

Volumetrická hustota energie [Wh/l]

50

100

150

250

330

Specifická hustota energie [Wh/kg]

40

70

100

180

250

Samovybíjení [%/den]

0,5

0,8

1,0

0,1

0,1

Počet nabíjecích cyklů

500

1000

800

<1000

<1000

Max. nabíjecí proud

<1 C

1–5C

1–2C

1C

1–6C

Max. vybíjecí proud

<5 C

<30 C

< 20 C

< 20 C

<60 C

Pozn. Uvedené parametry odpovídají nejlepším běžně dostupným článkům [6].

2.1.4 Charakteristika Li-Ion článku Počátky lithium – iontového akumulátoru se datují do poloviny šedesátých let minulého století. V polovině let sedmdesátých se na pokusy jako kladné elektrody použily sulfidy kovů a jako materiál pro kladnou elektrodu byl používán kovové lithium. Docházelo však ke korozi a pasivaci elektrod. Další pokusy vykázaly komplikace při nabíjení akumulátoru malým proudem. Docházelo totiž ke tvoření jehliček lithia, které pak měly za následek perforaci separátoru. Tím docházelo k vnitřním zkratům akumulátoru nebo k přehřívání článku [5]. Počátkem osmdesátých let postupoval vývoj pokusy se zápornou elektrodou jako sloučeninou LiWO2, Li6Fe2O3 nebo Li9MoSe6 jako zdroj iontů lithia Li+ a jako kladná elektroda byla použita sloučenina titanu, wolframu, niobu, vanadia nebo molybdenu. Výsledky pokusů vykazovaly nízké napětí, malou kapacitu a bylo potřeba složitého výrobního procesu [5].

6

Výrazný rozvoj lithiových akumulátorů způsobila japonská firma SONY. Jako materiál pro zápornou elektrodu byla použita směsí grafitu (uhlíku) obohaceného lithiem a polyolefinů. Název Li-Ion zavedl výkonný ředitel firmy SONY Enerytec pan K. Tozawa [5]. Aktivní hmota kladné elektrody je v dnešní době nejčastěji LiCoO2, LiXMn2O4, LiNiO2, LiV2O5 a další [5]. V současné době probíhá další výzkum a zdokonalování Li-Ion článků, především pro co nejefektivnější využití, např. pro elektromobily, solární panely, atd. Lithium – iontové akumulátory v poslední době zaznamenávají zdokonalování všech vlastností, především se navyšují měrné energie, vybíjecích i nabíjecích proudů, to vše při klesající výrobní i prodejní ceně. Přehled hlavních kladů a záporů technologie Li-Ion akumulátorů [7]: Výhody: Vysoké jmenovité napětí článku 3,7 V Vysoká energie 7400 mWh (2000 mAh/3,7V) Vysoká účinnost Velmi nízké samovybíjení Vysoký počet nabíjecích cyklů Nízká hmotnost Malé rozměry Nízké samovybíjení Nemají tzv. paměťový efekt Nezávadné pro životní prostředí (neobsahují olovo, rtuť nebo kadmium)

Nevýhody: Vysoká prodejní cena Relativně malý rozsah pracovních teplot (do -20°C) Vysoký vnitřní odpor (až 10x větší než je tomu u NiCd či NiMH) Velmi vysoká náchylnost na přebíjení a hluboké vybíjení, s tím spojené riziko přehřátí (popř. výbuchu) či trvalé zničení akumulátoru V průběhu vybíjení dochází k výraznému poklesu napětí. Tento jev je výhodný pro indikaci zbytkové kapacity akumulátoru, ovšem při použití v zařízeních vyžadujících stálý příkon je třeba, aby při klesajícím napětí akumulátoru vzrůstal vybíjecí proud

7

2.1.5 Nabíjení Li-Ion baterie Pro nabíjení Li-Iontových akumulátorů se používá metoda označovaná jako CCCV – Constant Current Constant Voltage, neboli nabíjení akumulátoru konstantním proudem a konstantním napětím [1]. Při nabíjení je třeba velmi přesně dodržet konečné nabíjecí napětí na hodnotě 4,2 V. Již při malém překročení nabíjecího napětí se výrazně zkrátí životnost akumulátoru, dokonce hrozí i nebezpečí výbuchu článku. Naopak, při nepatrně menším napětí se již článek nenabije na plnou kapacitu. Z těchto důvodů je třeba dodržet přesnost 4,2 V ±1 % [8]. Nabíjecí proud nesmí překročit maximální proud udaný výrobcem baterie. Opět by hrozilo přehřátí článku a případný výbuch. Proud může být samozřejmě i nižší, článek se v tomto případě bude nabíjet déle. Moderní Li-Ion akumulátory lze nabíjet i proudem o velikosti 1 C, tedy např. při kapacitě článku 2000 mAh jsou to 2 A. Typický průběh nabíjecí charakteristik je patrný z Obr. 2. Z obrázku je patrné, že článek se nabíjí velmi rychle. V první části nabíjecí charakteristiky je patrné, že nabíjecí proud je konstantní (1 C). V druhé části charakteristiky pozorujeme, že po dosažení konečného nabíjecího napětí (4,2 V) začne proud klesat až téměř k nule [8].

Obr. 2 Průběh napětí a proudu při nabíjení akumulátoru Li-Ion [8]

8

2.1.6 Správa Li-Ion baterie Tyto speciální integrované obvody pro účely nabíjení Li-Ion baterií byly vyvinuty z důvodu masivního rozšíření těchto článku do mobilních zařízení a zároveň pro potřebu dosažení vysoké minimalizace přidružených obvodů. Tyto moderní obvody nabízí kompletní správu baterie, což zahrnuje přesnou stabilizaci výstupního nabíjecího napětí, omezení nabíjecího proudu, indikaci provozního stavu baterie, popř. formování hluboce vybitého článku atp. Ke své funkci potřebují tyto obvody pouze externí zdroj napětí, regulační FET tranzistor a minimum přidružených součástek. Moderní obvody mohou mít tento regulační prvek již integrován do pouzdra v případě, že se článek nabíjí nižším proudem. Tyto obvody mohou sloužit i pro nabíjení více článků v sériové kombinaci, nejčastěji tedy 2, 3 nebo 4 článků najednou.

2.2

Provoz z externího napájecího zdroje

2.2.1 Topologie zdroje Vzhledem k uspořádání navrhovaného zesilovače je třeba navrhnout externí samostatný zdroj, nejlépe stabilizovaný. Zdroj by mělo být možno zaměnit za jiný, s obdobnými parametry (např. zdroj k notebooku), proto je zvolena koncepce nesymetrického stabilizovaného zdroje s transformátorem a klasickou topologií. Zdroj musí umožnit při svém nominálním napětí dodat proud alespoň 0,5 A pro nabíjení baterií a provoz zesilovače. Z důvodu jednoduchosti a cenové dostupnosti je vhodné použít klasické uspořádání můstkového usměrňovače, vyhlazovacích kapacit a stabilizátoru napětí. To vše je vhodné, vzhledem k požadavku na malé rozměry, doplnit obvodem kapacitního násobiče pro zajištění kvalitní filtrace.

9

3

NÁVRH

SIGNÁLOVÉ ČÁSTI ZESILOVAČE

S pomocí katalogových listů, doporučení výrobců, vlastností komerčně vyráběných zařízení a vlastních zkušeností byl vytvořen návrh obvodového zapojení signálové části zesilovače. Tato část zahrnuje vstupní obvod, operační zesilovač ve funkci předzesilovače, koncový výkonový stupeň a speciální obvod k omezení přechodového zkreslení zesilovače. Výběru vhodných součástek byla věnována mimořádná pozornost z důvodu dosažení špičkových parametrů výsledného zařízení. Pro simulaci chování a parametrů zvolených obvodů byl využit simulační software Cadence Orcad Pspice.

3.1

Návrh obvodu předzesilovače

3.1.1 Návrh vstupní části zesilovače Vstupní část zesilovače obsahuje následující obvodové prvky: Potenciometr Vstupní kondenzátor Vstupní dělič

Potenciometr musí být tandemového typu, logaritmického průběhu a měl by být co nejkvalitnější. Dobrou volbou jsou potenciometry japonského výrobce ALPS, které se vyznačují špičkovými parametry. Hodnota odporu by měla být v rozsahu 10 kΩ až 100 kΩ. Odpor odporové dráhy je lepší volit spíše menší, ovšem potenciometr musí dokázat snížit úroveň signálu minimálně o 60 dB. Čím vyšší hodnota odporu, tím větší šum součástky. Hodnota 50 kΩ je všestranný kompromis. Vstupní kondenzátor je spíše volitelnou součástí zesilovače. Zdroje hudebního signálu mohou k výstupnímu signálu přidat nežádoucí složku ss offsetu. Tato složka se průchodem obvodu zesilovače vynásobí (zesílí), přidá se k ní ještě úroveň offsetu vlastního zesilovače. Pokud by výsledná úroveň ss složky na sluchátkovém výstupu byla dostatečně vysoká, může dojít k poškození dynamického měniče sluchátek.

10

Účelem vstupního kondenzátoru je zabránit průniku ss složky do obvodu zesilovače. Touto součástkou ovšem protéká celý užitečný hudební signál, což sebou nese řadu nevýhod. Mezi ty nejpodstatnější patří fázové zkreslení, vlastní zkreslení kondenzátoru vlivem nedokonalosti materiálu a především útlum nízkofrekvenčního signálu daný vznikem RC článku. Proto by zvolený kondenzátor měl být co nejkvalitnější. Fóliové kondenzátory jsou pro průchod signálu nejvhodnější, mají menší vlastní zkreslení než elektrolytické a keramické kondenzátory [22]. Hodnota kapacity vstupního kondenzátoru byla stanovena na optimální hodnotu 1 uF. Horní mezní kmitočet vzniklého RC článku pro pokles o 3 dB při vstupním odporu zesilovače 50 kΩ je:

f =

1 2π ⋅ RC

f =

1 = 3,18Hz 2π ⋅ 50 ⋅10 3 ⋅1 ⋅10 −6

(3.1)

Výpočet hodnoty kapacity kondenzátoru při známém vstupním odporu zesilovače lze odvodit pomocí přibližného vztahu:

C=

1 4π ⋅ R

(3.2)

Za kondenzátorem pokračuje signál do vstupního děliče zesilovače, který je tvořen typickým, resp. katalogovým, zapojením se dvěma odpory s hodnotami 4,3 kΩ a 100 kΩ [14][19].

11

3.1.2 Volba operačního zesilovače Operační zesilovač (dále jen OZ) svými parametry nejvíce limituje výsledné vlastnosti celého zesilovače. Jeho nejvhodnější výběr je tedy klíčová část návrhu. Pro použití jako první zesilovací stupeň jsou nevhodnější operační zesilovače označované výrobci jako „ High Performance Audio Operational Amplifiers“ (vysoce výkonné hudební operační zesilovače) popř. „Precision Audio Amplifiers“ (precizní hudební operační zesilovače). Takové OZ jsou obzvláště vhodné pro zpracování hudebního signálu. Tento typ OZ se vyznačuje těmito vlastnostmi: Nízký šum Velmi malé zkreslení Vysoká rychlost přeběhu Široký frekvenční rozsah Velké zesílení Velký rozsah napájecího napětí

Vzhledem k bateriovému napájení zesilovače, kdy je k dispozici pouze omezené napájecí napětí, se pro konečnou volbu OZ uplatnil nejvíce parametr rozkmitu výstupního napětí při maximální úrovni vstupního signálu. Neboli schopnost OZ zesílit vysokou úroveň vstupního harmonického signálu bez zkreslení výstupního signálu při napájecím napětí ±7,4 V, což je minimální napětí akumulátorů. Podle doporučení k porovnávací analýze:

[9]

a

[10]

byly

vybrány

následující

audio

OZ

AD744 (Analog Devices, Inc.) [11] AD823 (Analog Devices, Inc.) [12] OPA604 (Burr-Brown Corp.) [13] OPA134 (Burr-Brown Corp.) [14] OPA627 (Burr-Brown Corp.) [15] OPA637(Burr-Brown Corp.) [16]

Všechny zvolené OZ se vyznačují špičkovými parametry (viz. Tab. 2) a jsou díky svému napájecímu napětí vhodné pro použití do bateriově napájeného zesilovače.

12

Tab. 2 Porovnání parametrů vybraných typů OZ Model OZ

AD744

AD823

OPA604

OPA134

OPA627

OPA637

Rozsah napájecího napětí [V]

±4,5 - ±18

±1,5 - ±18

±4,5 - ±24

±2,5 - ±18

±4,5 - ±18

±4,5 - ±18

Šum na 10 kHz [nV/√Hz]

16

16

10

8

4,5

4,5

Rychlost přeběhu [V/ s]

75

22

25

20

55

135

THD+N [%]

0,0003

0,0003

0,0003

0,00008

0,00003

0,00003

Frekvenční rozsah [MHz]

13

16

20

8

16

80

Doba ustálení na 0,01 % [ns]

500

350

1500

700

550

450

Pro porovnání parametrů a chování každého OZ byla v simulačním softwaru vyhotovena analýza, jejímž parametrem byl rozkmit výstupního napětí na výstupu OZ při referenčních podmínkách: Napájecí napětí obvodu: Vstupní signál: Kmitočet vstupního signálu: Amplituda vstupního signálu: Offset vstupního signálu:

±7,4 V sinusový 10 kHz 2 Vpp 0V

V porovnání velikosti výstupního napětí se jako nejlepší obvod ukázal OZ OPA134 společnosti Burr-Brown Corp. spolu s AD823 výroby Analog Devices, Inc. Vzhledem k ostatním parametrům (viz. Tab. 2) dostupnosti a pořizovacím nákladům daného obvodu byl pro konstrukci sluchátkového zesilovače zvolen obvod OPA134.

3.1.3 Charakteristika obvodu OPA134 Tato řada OZ vyniká velmi nízkým zkreslením, nízkými šumovými poměry a jsou plně určeny pro audio aplikace (viz. Tab. 2). Vstupní FET část obvodu je optimalizována pro poskytnutí vynikající kvality a dynamiky zvuku při zachování vysokého vstupního odporu. Konstrukce tohoto obvodu odstraňuje problémy fázového zkreslení a přetížení, které se často vyskytují u obvodů

13

s FET vstupy. Vstupní kaskádní struktura obvodu poskytuje vynikající potlačení šumu, udržuje nízký vstupní klidový proud přes široký rozsah vstupního napětí při minimálním zkreslení. Pracovní rozsah napájecího napětí je ±2,5 V do ±18 V, což tento obvod předurčuje k užití v bateriově napájených zařízeních [14]. Pro standardní použití se obvod vyrábí v diskrétním pouzdře DIP-8, popř. SO-8 pro povrchovou montáž. OPA134 (DIP-8, SO-8) má uvnitř pouzdra integrován jeden operační zesilovač, OPA2134 (DIP-8, SO-8) je dvojitý OZ a OPA4134 (DIP-14, SO-14) je čtyřnásobný OZ [14].

3.1.4 Zapojení obvodu předzesilovače Z výše uvedených předpokladů bylo vytvořeno obvodové zapojení prvního stupně sluchátkového zesilovače (předzesilovače). Kondenzátory C2 a C3 jsou volitelné (viz. Obr. 3).

OPA134/BB C1

R2

1u

4.3k

7

R1 50k

3

V+

IN

+

U1

OUT 2

C2 470p

-

R3 100k

4

V-

C3 18p R5 1k

0

0

0

0

Obr. 3 Zapojení obvodu předzesilovače

14

6

OUT

3.2

Návrh obvodu koncového stupně

Koncový stupeň sluchátkového zesilovače je tvořen integrovaným obvodem. Oproti diskrétnímu provedení je zřejmá vysoká účinnost obvodu, malé výkonové ztráty, jednoduché zapojení, nízké nároky na velikost napájecího napětí a v neposlední řadě také minimální rozměry. To vše při zachování špičkových parametrů. Moderní audio koncové obvody (tzv. buffery) jsou dnes plnohodnotnou náhradou složitých diskrétních zapojení a jsou obzvláště vhodné pro použití v přenosných zařízeních. Návrh koncového stupně v sobě skýtá volbu koncového integrovaného obvodu, volbu velikosti výstupního ochranného odporu a nastavení zpětné vazby resp. velikost zesílení.

3.2.1 Volba budiče Pro zvolení koncového integrovaného obvodu na pozici budiče (bufferu) byly jako hlavní měřítka posuzovány katalogové parametry výrobců obvodů (viz. Tab. 3). Při vlastní volbě byl kladen důraz na následující parametry audiobudiče: Minimální velikost napájecího napětí Vysoký výstupní proud dostačující pro buzení dynamického měniče o impedanci 16 - 600Ω Minimální zkreslení Vysoká rychlost přeběhu Nízký šum

Pro osazení do koncové části zesilovače byly vybrány následující integrované obvody, které jsou svými parametry obzvláště vhodné pro řízení dynamických měničů sluchátek: LME49600 (National Semiconductor Corp.) [17] AD8397 (Analog Devices, Inc.) [18] BUF634 (Burr-Brown Corp.) [19]

15

Tab. 3 Porovnání parametrů vybraných integrovaných obvodů Model bufferu

LME49600

AD8397

BUF634

Rozsah napájecího napětí [V]

±2,25 - ±18

±1,5 - ±12

±2,25 - ±18

Výstupní proud [mA]

250

310

250

Šum na 10 kHz [nV/√Hz]

3

4,5

4

Rychlost přeběhu [V/ s]

2000

53

2000

THD+N [%]

0,0005

0,0003

-

Frekvenční rozsah [MHz]

180

69

180

Doba ustálení na 1 % [ns]

60

-

50

Vzhledem ke všem parametrům, dostupnosti na českém trhu a pořizovacím nákladům byl vybrán obvod společnosti Burr-Brown Corp. BUF634. Tento obvod je možno objednat u výrobce jako tzv. sample, navíc je to jediný obvod ze zvolené trojice, na který je možno stáhnout simulační model (knihovnu) do simulačního softwaru Orcad Pspice. Výrobce tohoto obvodu navíc přímo doporučuje pro volbu operačního předzesilovače použít firemní obvody řady OPA (vybrán OPA134) pro dosažení nejlepších parametrů, stability a kompatibility výsledného zapojení. Obvod je možno pořídit v různých pouzdrech, dle nároků na tepelné zatížení pouzdra, včetně typů pro povrchovou montáž.

3.2.2 Charakteristika obvodu BUF634 Obvod BUF634 je vysokorychlostní výkonový budič doporučený pro širokou škálu aplikací. Může být použit uvnitř zpětnovazební smyčky operačních zesilovačů pro zvýšení výstupního proudu, odstranění tepelné zpětné vazby a zlepšení kapacitního zdvihu [19]. Pro nízko - výkonové aplikace pracuje na 1,5 mA klidového proudu s výstupním proudem 250 mA, rychlostí přeběhu 2000V/ms a šířkou pásma 30 MHz [19]. Šířka pásma se může nastavit v rozsahu 30 MHz až 180 MHz pomocí rezistoru mezi piny V- a BW pin [19].

16

Výstupní obvod je plně chráněn proudovým omezením a tepelnou pojistkou (viz. Obr. 4). Obvod BUF634 je k dispozici ve čtyřech zapouzdřeních: DIP-8, SO-8, 5 - Lead TO-220 a 5 Lead DDPAK. V každém provedení je v pouzdru integrován jeden budič [19].

Obr. 4 Vnitřní struktura budiče BUF634 [19]

3.2.3 Volba koncového ochranného odporu Koncový stupeň zesilovače je třeba chránit proti zkratu na výstupu. Norma IEC 61938 z roku 1996 [20] udává jako optimální hodnotu výstupního ochranného odporu hodnotu 120 Ω. Nicméně norma je již značně zastaralá a ještě z dob, kdy se samostatné sluchátkové zesilovače nevyráběly a sluchátkové výstupy audio-zařízení (např. magnetofon, hi-fi věž, atp.) byly vyvedeny přímo z výkonového výstupu pro reproduktor přes napěťový dělič. V takovém případě má dělič impedanci příliš vysokou v porovnání se jmenovitou impedancí sluchátek např. 16 Ω.

17

Příliš vysoký výstupní ochranný odpor se po připojení sluchátek negativně podepíše na výsledné kmitočtové charakteristice. Odpor 120 Ω může způsobit až pokles o 5 dB ve frekvenční odezvě v porovnání různých typů sluchátek [21]. Při navyšování hodnoty výstupního ochranného odporu se zesilovač bude projevovat zvýrazněním nízkých kmitočtů a zhorší se i lokace zvuku. Tento jev je pro vysoce jakostní poslech při použití kvalitních sluchátek nežádoucí. Vzhledem k tomu, že všechny elektrodynamické měniče mají svoji impedanci závislou na kmitočtu, je třeba volit velikost výstupní impedance zesilovače, a tím i ochranného odporu, co možná nejnižší. Tím se eliminuje i možnost navýšení výstupního zkreslení. V případě navrhovaného sluchátkového zesilovače je na koncovém stupni použit moderní obvod BUF634, který má již v sobě integrovanou proudovou ochranu, která činí max. 350 mA [19]. I z tohoto důvodu byla hodnota výstupního ochranného odporu stanovena na 4,7 Ω. Tato hodnota maximalizuje dodaný výkon do sluchátek a zároveň zabrání zničení koncového stupně např. při připojování a odpojování JACK konektoru sluchátek za provozu zesilovače.

3.2.4 Zpětná vazba zesilovače

3

IN

V+

Signálová část zesilovače je tvořena typickým zapojením neinvertujícího zesilovače. U tohoto zapojení se vstupní impedance blíží nekonečnu a není závislá na hodnotách odporů R1 a R2 (viz. Obr. 5). Zesílení A u takového zesilovače je vždy větší než 1 [25].

+

OZ

OUT 2

-

4

6

V-

R2

R1

0

Obr. 5 Neinvertující zesilovač

18

OUT

Pro výstupní napětí a impedanci při zpětné vazbě tvořené odpory R1 a R2 platí:

U OUT = U IN ⋅ 1 +

R2 R1

(3.3)

(3.4)

Z IN = ∞

Pro hodnotu zesílení AU při zpětné vazbě tvořené odpory R1 a R2 při zvolených hodnotách odporů R1= 1 kΩ a R2= 4,7 kΩ platí:

AU = 1 +

R2 R1

AU = 1 +

4,7 ⋅ 10 3 = 5,7 1 ⋅ 10 3

(3.5)

3.2.5 Zapojení obvodu koncového stupně Koncový stupeň zesilovače je tvořen špičkovým obvodem BUF634 ve svém typickém zapojení. Výstup je doplněn ochranným odporem ROUT. Napájecí linky jsou opatřeny „rychlými“ kapacitami C1 až C4. Pin BW slouží k nastavení šířky pásma obvodu. Pro pokles o 3 dB je šířka pásma přibližně 30 MHz při klidovém proudu 1,5 mA. Pro toto nastavení je ovládací pin BW nepřipojen. Šířka pásma může být zvětšena na 180 MHz připojením pinu BW na záporný potenciál V- (viz. Obr. 6). Tím se klidový proud zvýší na přibližně 15 mA. Jmenovitý výstupní výkon a rychlost přeběhu nejsou ovlivněny volbou šířky pásma.

19

V+ C4 100n C1 33u

0

U1 7 1 3

IN

BUF634X/BB V+ R OUT

BW OUT

6

OUT 4.7

IN 4

R BW 0

V-

C2 33u C3 100n

0

V-

Obr. 6 Zapojení obvodu koncového stupně BUF634

3.3

Nastavení OZ do třídy A

Účelem tohoto přídavného obvodu je minimalizace přechodového zkreslení. To je způsobeno nelinearitou převodní charakteristiky polovodičových prvků, resp. zesilovacího prvku. Přechodové zkreslení snižuje schopnost zesilovače přenést velmi malé dynamické signály (tzv. tranzienty), projevuje se typickým „chrastěním“ při malých hlasitostech. Dále se projevuje zdrsněním středních a vysokých tónů, zhoršuje také prostorovost. Se vzrůstající frekvencí signálu je tento jev patrnější [24]. Řešením pro odstranění přechodového zkreslení je zavedení klidového proudu a tím způsobené posunutí pracovního bodu zesilovacího prvku do lineárnější oblasti. Nevýhodou takového opatření je zvětšení kolektorového proudu budiče a s tím spojená nižší účinnost a vyšší tepelná ztráta [24]. Takto pracují zesilovače ve třídě A, které mají pracovní bod nastaven do středu převodní charakteristiky, a tím je přechodové zkreslení minimalizováno. Stejného efektu má docílit přídavný obvod pro navýšení výstupního (kolektorového) proudu z operačního zesilovače. 20

3.3.1 Funkce obvodu Obvod pracuje jako zdroj konstantního proudu. Důležitým aspektem je, aby se proud obvodem neměnil v závislosti na amplitudě signálu na výstupu OZ. Zapojení je tvořeno kaskádním zapojením dvou tranzistorů typu JFET. Osamocený JFET tranzistor by neposkytl obvodu tak stabilní průtok proudu jako kaskádní kombinace dvou tranzistorů a proud by byl více závislý na amplitudě signálu z výstupu operačního zesilovače. Změna proudu u takové kombinace je zhruba ±0,5 %, což je jen několik desítek mikroampér v nastavitelném rozsahu obvodu [23].

3.3.2 Zapojení obvodu Na Obr. 7 je znázorněno schéma zapojení obvodu pro nastavení operačního zesilovače do třídy A. Obvod se připojuje na výstup operačního zesilovače, resp. Mezi OZ a budič. Jeho druhý konec se připojí na záporný napájecí potenciál V-. Pomocí trimru R2 se dá nastavit protékající proud v rozsahu 0 – 2 mA, čímž se dá regulovat klidový (kolektorový) proud operačním zesilovačem. Takto lze snadno regulovat úroveň přechodové zkreslení. OZ OUT

R1 1k J2 2N5486/PLP

J1 2N5484/PLP

VR2 1K SET = 0.5

Obr. 7 Zapojení obvodu pro potlačení přechodového zkreslení

21

4

NÁVRH

VNITŘNÍ NAPÁJECÍ ČÁSTI

ZESILOVAČE 4.1

Volba akumulátoru

Pro napájení zesilovače budou primárně sloužit Li-Ion akumulátory. Pro dosažení potřebného napájecího napětí jsou zapojeny 4 ks válcových akumulátorů, každý s napětím 3,7 V. Baterie jsou zapojeny do série, jejich celkové napětí je tedy 14,8 V. Z toho vyplívající napětí pro napájení signálové části je ±7,4 V. Při nabíjení baterií je třeba dodržet přesné konstantní napětí (viz, kapitola 2.1.5). Při nabíjení bude tedy napětí na sériové kombinaci 16,8 V. Baterie je důležité před zakoupením spárovat. Články by tedy měly být ze stejné výrobní série, musí mít identické napětí, kapacitu a vnitřní odpor. Toto je důležité především při nabíjení v sérii, kdy hrozí přebíjení některého článku nebo nedobití jiného článku na plnou hodnotu kapacity. Pokud by např. měl jeden z článků menší kapacitu, než mají ostatní tři v sériové kombinaci, hrozilo by při nabíjení přebití, popř. přehřátí článku, což by vedlo ke zničení baterie. Pro účely napájení zesilovače není třeba příliš vysoké kapacity baterií, sériová kombinace poskytne zesilovači dostatečnou provozní dobu. Hlavním faktorem výběru je tedy poměr cena/kvalita při zachování co možná nejmenších rozměrů. V tomto ohledu se jako nejvhodnější zdroj energie jeví Li-Iontový článek Sanyo UF463048F.

4.1.1 Charakteristika akumulátoru Sanyo UF463048F Akumulátory této značky jsou věhlasné svoji životností a kvalitou. Jejich pořizovací cena je příznivá, na českém trhu jsou dostupné. Rozměrově jsou akumulátory podobné zabudovaným akumulátorům uvnitř MP3 přehrávačů a jiných malých přenosných zařízeních. Jejich plochý profil umožňuje zabudování do malého prostoru. Tab. 4 obsahuje výčet základních parametrů tohoto akumulátoru [26].

22

Tab. 4 Parametry akumulátoru Sanyo UF463048F Model akumulátoru

4.2

Sanyo UF463048F

Složení akumulátoru

Lithium-iontový

Provedení akumulátoru

Plochý

Jmenovité napětí [V]

3,7

Kapacita [mAh]

720mA

Hmotnost [g]

15,0

Nabíjecí proud [A]

0,72

Nabíjecí čas [min]

150

Objemová hustota energie [Wh/l]

422

Specifická hustota energie [Wh/kg]

177

Rozměry [mm]

4,45x29,65x47,80

Manažer akumulátoru

O kompletní správu akumulátoru se stará speciální integrovaný obvod, tzv. battery manager. Použity jsou 4 akumulátory v sérii, je třeba použít poměrně unikátní obvod, který dokáže průběh nabíjení tolika baterií řídit. Výstupní napětí je třeba udržovat na hodnotě 16,8 V. Tomu musí odpovídat i vstupní úroveň napětí manažeru, resp. zdroje. Na trhu je celá řada obvodů, které slouží pro nabíjení Li-Ion akumulátorů, většinou se jedná o miniaturní obvody použité v přenosných zařízeních. Tyto obvody ovšem umí nabíjet pouze jeden či dva akumulátory v sérii. Pro sluchátkový zesilovač byl tedy vybrán unikátní obvod značky Maxim, užívaný většinou v osobních počítačích (notebooky, tablety, apod.). Pro návrh vnitřní napájecí části zesilovače bylo použito katalogové zapojení pro čtyři články typu Li-Ion.

23

4.2.1 Charakteristika obvodu MAX745 Integrovaný obvod MAX745 poskytuje všechny funkce potřebné pro jednoduché a přitom efektivní nabíjení 4 článků v sériové kombinaci. Obvod může poskytnout nabíjecí proud ve výši 4 A při účinnosti 90%. Umožňuje regulovat nabíjecí proud a napětí s menší než ±0,75 % rozptylem, což odpovídá rozmezí od 16,674 V až 16,926 V. Zapojení je doplněno N-kanálovým MOSFET tranzistorem, který efektivně reguluje nabíjení baterií s nízkým úbytkem napětí. Obvod je koncepce Stand-Alone, nepotřebuje tedy ke své činnosti mikrokontrolér [27]. Obvod pro regulaci napětí a proudu využívá dvou regulačních smyček, které umožňují plynule měnit mezi regulací proudu a napětí [27]. Obvod disponuje ovládacím vstupem, který může posloužit i jako tepelná pojistka v případě přehřátí akumulátorů během nabíjení, popř. při poruše zařízení [27]. Dále integrovaný obvod obsahuje přesný vnitřní zdroj referenčního napětí 4,2V spolu s druhým zdrojem napětí 5,4V pro napájení přidružených obvodů. Obvod se osazuje do 20 pinového pouzdra SSOP [27]. Přidružené obvody kolem MAX745 jsou navrženy a nastaveny pro potřeby použitých akumulátorů.

4.2.2 Indikace nabíjecího procesu Pro účel indikace nabíjecího procesu slouží dva výstupy obvodu MAX745 – STATUS a IBAT, které slouží pro světelnou indikaci diodami LED. Použita je dvoubarevná LED dioda se společnou anodou (červená/zelená), která svým svitem, resp. změnou barvy indikuje velikost nabíjecího proudu, resp. udržovací režim (zelená LED) a proudový režim (červená LED). Pro detekci velikosti nabíjecího proudu je využit výstup IBAT, jehož proud je úměrný tomu nabíjecímu. Na tento výstup je připojen ultra nízkopříkonový operační zesilovač MAX931 s vnitřní referencí a hysterezí, který slouží jako komparátor [28]. Obvod je nastaven tak, aby při poklesu nabíjecího proudu pod hodnotu 50mA rozsvítil zelenou diodu LED připojenou na výstup komparátoru. Svit zelené barvy diody LED tedy indikuje nabitý stav akumulátorů, kdy je již možno zesilovač odpojit od externího zdroje.

24

Výstup STATUS slouží pro detekci režimu dobíjení. Při připojení externího zdroje započne nabíjení proudovým režimem, kdy do akumulátorů teče maximální nastavený nabíjecí proud. Nabíjecí obvod se tedy chová jako zdroj konstantního proudu a konstantního napětí. Po dosažení plného nabíjecího napětí akumulátorů, tj. 4,2 V se začne snižovat velikost nabíjecího proudu. V této chvíli je již nabíjecí obvod v napěťovém režimu, tedy se chová pouze jako zdroj přesného napětí. Přímo k tomuto výstupu je připojena červená LED, která tak svým svitem indikuje proudový režim nabíjení, zhasnutím naopak napěťový režim.

4.3

Napájecí část zesilovače

4.3.1 Vytvoření symetrického napájecího napětí Aby bylo možné výstupní budič a OZ napájet symetrickým napájecím napětím, je třeba vytvořit napájecí část s virtuální zemí, proti které poteče audio signál. Tohoto se dá docílit jednoduchým vyvedením napájecího středu přes odporový dělič. Mnohem lepším řešením je však použití tzv. rail splitteru (např. TLE2426 [29]), který zajistí na svém výstupu přesně polovinu vstupního napětí. Výhodou tohoto splitteru je nízká výstupní impedance, vysoká přesnost hodnoty výstupního napětí, vysoký výstupní proud. Hlavní výhoda však spočívá v jednoduchosti a vysoké integraci, kdy relativně složitý obvod pro vytvoření umělé země je umístěn do jediného pouzdra TO-92. Napájecí část je též doplněna obvodem indikace provozního stavu zesilovače spolu s indikací vybitého stavu baterií, hlavní filtrační a blokovací kapacitou.

4.3.2 Indikace provozního stavu Indikační obvod tvořený dvěma zenerovými napěťovými regulátory je osazen opět dvoubarevnou LED diodou se společnou anodou (červená/zelená), která indikuje zeleným svitem zapnutí zesilovače a červeným svitem vybití baterií. Barva LED diody se mění postupně, zhruba při 30 % kapacitě akumulátorů se začne zvolna rozsvěcovat červená LED, naopak zelená začne pohasínat, Výsledná barva LED se tedy postupně zdánlivě mění ze zelené přes oranžovou až na červenou, která již indikuje zbývající kapacitu pod hranicí 10 %.

25

Touto světelnou, ale přitom jednoduchou indikací se dá dobře odhadnout zbývající kapacita akumulátorů a tedy i zbývající doba provozu, to vše bez nutnosti použití podsvíceného displeje a podobných indikačních součástí, které by jen zbytečně navyšovaly proudový odběr z akumulátorů a tím zkracovaly provozní dobu zesilovače.

26

5

NÁVRH

EXTERNÍHO ZDROJE

Pro napájení celého zesilovače slouží externí stabilizovaný zdroj. Lze použít i jiný průmyslový zdroj napětí, ovšem musí disponovat zatěžovacím proudem alespoň 1,5 A, a výstupní stejnosměrné napětí při zátěži alespoň 19 V. Zdroj nemusí být stabilizovaný, ovšem maximální přípustné napětí na napájecích svorkách zesilovače je 24 V (max. napájecí napětí obvodu MAX745). Pro konstrukci externího stabilizovaného zdroje je použito notoricky známého zapojení s osvědčeným lineárním regulátorem napětí LM317.

5.1

Charakteristika LM317

Jedná se o nastavitelný (regulovatelný), 3vývodový pozitivní (kladný) napěťový regulátor. Je schopen dodávat až 1,5 A výstupního proudu při rozsahu vstupního napětí 1,2 V až 37 V. Pro nastavení výstupního napětí využívá obvod externí kombinace dvou rezistorů. Oproti běžným pevným stabilizátorům nabízí LM317 vyšší výkon, ochranu proti přetížení (proudový limit), tepelnou pojistku [30]. Kromě jednoduchého použití jako spínacího regulátoru, programovatelného regulovatelného výstupu, jej lze připojením pevného odporu mezi pin „Adjust“ a „Output“ použít jako přesný regulátor proudu [30]. Obvod se vyrábí v nejrůznějších pouzdrech, pro potřeby konstruovaného zdroje je optimální provedení TO-220.

5.2

Stabilizace napětí

5.2.1 Návrh obvodu stabilizace Na Obr. 8 je znázorněno typické katalogové zapojení stabilizátoru pro nastavení velikosti výstupního napětí. Pro napájení obvodu zesilovače, včetně bateriového manažeru, je třeba stejnosměrné napájecí napětí 20 V. Na tuto hodnotu je třeba nastavit výstup stabilizátoru.

27

IN

OUT

C1 0.1uF

Vout

3 R1 240R-270R

1

2

ADJ

LM317 Vin

R2

C2 1uF

0

Obr. 8 Klasické zapojení obvodu LM317

Obvod se snaží na výstupu nastavit takové napětí, aby diference mezi piny 1 a 3 byla 1,25 V (VREF). Připojíme-li tedy mezi vývod 1 a zem rezistor (R2), jeho velikostí odporu můžeme nastavit přesně výstupní napětí. Pro hodnoty odporu R1 výrobce doporučuje použít rozsah (240 – 270) Ω. V takovém případě teče z pinu 1 proud IADJ o velikosti asi 50 A. Výstupní napětí lze tedy lehce vypočítat z následujícího vztahu:

VOUT = V REF ⋅ 1 +

R2 + I ADJ ⋅ R2 R1

(5.1)

Pro zvolené napětí VOUT v rozsahu 1,2 až 37 V lze při zanedbání proudu z pinu 1 získat vztah pro výpočet potřebného odporu R2:

R2 = R1 ⋅

R2 = 240 ⋅

VOUT −1 VREF

(5.2)

20 − 1 = 3600Ω 1,25

volíme 3,6 kΩ (řada E24)

Do typického zapojení byly doplněny kondenzátory C7 a C8, které spolu s diodami D5 a D6 zlepšují chování a vlastnosti stabilizátoru (viz. Obr. 9). Kondenzátor C8 zlepšuje stabilitu a odezvu na skokovou změnu zátěže, kapacitor C7 zlepšuje potlačení zvlnění na výstupu až o 15 dB (asi 5x). Dioda D2 zajistí vybití C7 při zkratu na výstupu a vypnutí zdroje. Dioda D1 chrání zdroj před zničením zpětným proudem do výstupu [31].

28

Díky zapojení a výkonu zdroje je možné docílit nabíjení akumulátorů standardní hodnotou, tj. 1 C akumulátorů. Navíc je k dispozici dostatečná proudová rezerva pro plnohodnotný provoz zesilovače i během nabíjecího procesu.

5.2.2 Zapojení obvodu stabilizace Na Obr. 9 je znázorněno zapojení koncové stabilizační části napájecího zdroje pro sluchátkový zesilovač.

D5 IN D1N4001 D1N4001

OUT

3

OUT+

1

IN

ADJ

LM317 2

R1 270

D6

C6 100n

R3 1k

D7 R2 3.6k

C7 10u

C8 1u

LED

0

Obr. 9 Zapojení stabilizační části externího zdroje

K navrženému zapojení je zapotřebí doplnění hlavní filtrační kapacity, diodového můstku a transformátoru. Vzhledem k maximálnímu výstupnímu proudu zdroje 0,9 A postačí jako hlavní kapacita elektrolytický kondenzátor 2200 F.

5.2.3 Kapacitní násobič Do zapojení obvodu stabilizace je pro navýšení filtrační kapacity a potlačení rušivých harmonických složek vložen obvod označovaný jako kapacitní násobič. Jedná se o jednoduchý obvod osazený bipolárním tranzistorem typu NPN. Tranzistor má ve své bázi zapojen kondenzátor, jehož kapacita se na emitoru tranzistoru projeví jako h21 krát větší, kdy parametr h21 je proudový zesilovací

29

činitel tranzistoru. Do báze tranzistoru je vložena kapacita 47 F spolu se blokovacím 100 nF v keramické podobě. Vedle kapacitního násobiče je zdroj doplněn o pomocnou kapacitu 470 F a 100 F pro zlepšení odezvy na skokovou změnu zátěže a blokovacími kondenzátory 100 nF. Zdroj by měl tedy disponovat dostatečnou filtrační kapacitou, na jeho výstupu by mělo být minimum rušivých složek.

30

6 6.1

KONSTRUKCE

ZESILOVAČE

Stavba zesilovače

Vlastní zesilovač je osazen na dvou DPS, kdy signálová, nabíjecí a napájecí část jsou umístěny na hlavní desce plošných spojů, akumulátory jsou upevněny na druhé desce, která je umístěna rovnoběžně s hlavní DPS. Deska akumulátorů slouží nejen jako držák, ale zároveň zajišťuje sériové propojení všech akumulátorů a obsahuje i prostor pro teplotní čidlo. Deska akumulátorů je s hlavní deskou propojena pomocí konektoru, o upevnění se starají dva distanční sloupky. Topologie, kdy jsou takto umístěny desky nad sebou, zajišťuje maximální využití volného prostoru uvnitř přístrojové skříňky. Konstruovaný zesilovač je umístěn do hliníkové přístrojové krabičky řady AKG 105 38 100 ME německého výrobce Fischer Elektronik. Tato skříňka umožňuje upevnění obou desek plošných spojů bez nutnosti použití dalšího konstrukčního materiálu, a to díky vnitřním drážkám v bočnicích skříňky. Hlavní DPS má identický rozměr jako vnitřní rozměr krabičky, o silnou fixaci se tedy stará přední i zadní panel krabičky. Do zadního panelu jsou zabudovány vstupní konektory typu cinch, přepínač zisku, vypínač a napájecí konektor. Do předního panelu je osazen knoflík potenciometru, obě indikační LED diody a výstupní konektor jack 6,3 mm. Vnější strana dna krabičky je doplněna gumovými nožičkami pro zajištění dobré stability skříně.

6.2

Stavba externího zdroje

Externí stabilizovaný zdroj je zabudován do plastové krabičky U-KP21. DPS je upevněna pomocí čtyř distančních sloupků ke dnu skříňky. Skříňka je opatřena výstupním konektorem na kabelu, vstupním síťovým konektorem, indikační LED diodou a čtyřmi nožkami.

31

7

ZÁVĚR

V této práci byly popsány sluchátkové zesilovače, jejich principy, uplatnění a detailně byl předveden návrh přenosného sluchátkového zesilovače pro kvalitní poslech na dynamických sluchátkách. Návrh byl doplněn simulacemi signálové části zesilovače v simulačním softwaru, na jehož základě byly vybrány klíčové obvody ke stavbě zesilovače. Vytvořeny byly všechny konstrukční podklady pro praktickou realizaci zařízení. Ve finální fázi byl přenosný sluchátkový zesilovač spolu s externím stabilizovaným zdrojem vyroben formou prototypu. Pro porovnání nasimulovaných parametrů a parametrů reálného funkčního zařízení bylo provedeno měření v laboratoři nízkofrekvenční elektroniky. Pro vlastní návrh i realizaci byly použity špičkové moderní obvody, které zaručují konstruovanému zařízení parametry, které se směle mohou rovnat s profesionální či studiovou hudební elektronikou. Díky napájení z integrovaných akumulátorů lze hudební prožitek vychutnávat i mimo síťové zdroje. Celková doba pro nabíjení akumulátorů zesilovače se pohybuje v rozmezí 2-2,5 hodin. Výdrž na jedno nabití přesahuje 15 hodin. Výsledné zařízení se sestává ze třech obvodových částí, signálové, napájecí a dobíjecí části, kdy všechny elektronické obvody spolu s akumulátory jsou místěny v přístrojové skříňce, doplněné samostatným externím stabilizovaným zdrojem. Zesilovač je tříkanálové koncepce, umožňuje bateriový i kombinovaný provoz, disponuje integrovaným dobíjením, regulací hlasitosti, přepínáním zisku (15 nebo 20 dB) a uživatele o stavu zesilovače i akumulátorů informuje pomocí dvoubarevných LED diod. Z provedeného experimentálního měření na prototypu zesilovače byly odvozeny následující parametry sluchátkového zesilovače:

Frekvenční rozsah (-3 dB): Výstupní napětí (rozkmit): Impedance zátěže: Výstupní výkon:

Rychlost přeběhu: Celkové THD+N:

8 Hz – 70 kHz / vol. 100 % 12,8 Vpp / 600 Ω 16 – 600 Ω 31 mW / 600 Ω 1,17 W / 16 Ω (při 1 kHz, High-gain) 4,5 V / μs (oblast bez limitace) 0,017 % při 1 kHz / 16 Ω <0,001% při 1 kHz / >100 Ω

32

Vstupní odpor: Výstupní odpor:

50 kΩ 6,74 Ω

Z provedených simulací a analýz navržených obvodů v softwaru Cadence Orcad Pspice (viz. Příloha B) lze posoudit celkové chování zařízení, dle změřených veličin je možno popsat výsledné parametry sestavy. Je třeba brát ohled na fakt, že simulační software neuvažuje další elektrické jevy, které mohou nastat při reálném provozu hudebního zařízení. Dalším faktorem ovlivňujícím přesnost analýz je uvážení ideálních přenosových a provozních podmínek, kdy např. nejsou zohledněny negativní dopady plošných spojů (PCB), vodičů, kontaktů, přístrojové skříně či elektromagnetického rušení (EMC) a dalších jevů, které nelze předvídat. Při porovnání s požadovanými parametry navrhovaného zesilovače (viz. Kapitola 1.1) docházíme k závěru, že navržený zesilovač přesahuje všechny vytyčené vlastnosti a nároky. Při porovnání skutečných parametrů zesilovače s nasimulovanými parametry lze usoudit, že finální zařízení splnilo předpoklad udaný výsledky analýz a potvrdil se tak správný postup návrhu.

33

LITERATURA [1] KRAUS, A. High-End sluchátkové zesilovače. Praktická elektronika A Radio. 2011, roč. 16, č. 2, s. 33. ISSN 1804-7173. [2] HRSTKA, J., KŘÍŽ, J., SLAVÍKOVÁ, P. Elektromagnetické rušení a počítače. Sdělovací technika. 2011, roč. 58, č. 5, s. 50. ISSN 0036-9942 [3] ROBJOHNS, H. Understanding Impedance. Sound On Sound [on-line]. 2003, roč. 18, č. 1, [citováno 2.11.2010]. Dostupné z: [4] DVOŘÁK, P., BAČA, P., PLÉHA, D. Akumulace elektřiny [on-line]. Vydáno: 9. 5. 2011, [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: [5] MAREK, J. Hermetické akumulátory v praxi. Praha, IN-EL 2004, 140 s., ISBN 8086534 [6] JANDURA, P. Přehled a vlastnosti současných akumulátorů používaných v elektromobilech [on-line]. Vydáno: 15.6.2010, [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: [7] STEHLÍK, M. Baterie a akumulátory. Li – akumulátory [on-line]. Vydáno: 2004. [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://www.battex.info/hermetickeakumulatory/li-akumulatory/zakladni-charakteristiky [8] BELZA, J. Akumulátory Li-Ion a jejich nabíjení. Praktická elektronika A Radio. 2001, roč. 6, č. 4, s. 12. ISSN 1211-328. [9] YOUNG, W. Audiologica. Notes on Audio Op-Amps [on-line]. Vydáno: 29.11.2011. [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://tangentsoft.net/audio/opamps.html [10] GRONER, S. Operational Amplifier Distortion [on-line]. Vydáno: 19.10.2009. [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://www.sgacoustics.ch/analogue_audio/ic_opamps/index.html [11] Analog Devices Inc. [on-line]. Datasheet AD744 – Precision BiFET Op Amp [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/AD744.pdf [12] Analog Devices Inc. [on-line]. Datasheet AD823 – Dual Rail-to-Rail FET Amplifier [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/AD823.pdf [13] Texas Instruments Inc. [on-line]. Datasheet OPA2604 – Dual FET-Input Low Distortion Operational Amplifier [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ds/sbos006/sbos006.pdf

34

[14] Texas Instruments Inc. [on-line]. Datasheet OPA134 – SoundPlusTM High Performance Audio Operational Amplifiers [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ds/sbos058/sbos058.pdf [15] Texas Instruments Inc. [on-line]. Datasheet OPA627 – Precision High-Speed Difet® Operational Amplifiers [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ds/sbos165/sbos165.pdf [16] Texas Instruments Inc. [on-line]. Datasheet OPA637 – Precision High-Speed Difet® Operational Amplifiers [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ds/sbos165/sbos165.pdf [17] National Semiconductor Corp. [on-line]. Datasheet LM49600 – High Performance, High Fidelity, High Current Audio Buffer [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lme49600.pdf [18] Analog Devices Inc. [on-line]. Datasheet AD8397 – Rail-to-Rail, High Output Current Amplifier [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8397.pdf [19] Texas Instruments Inc. [on-line]. Datasheet BUF634 – 250mA High-Speed Buffer [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/buf634.pdf [20] CEI International Standard. Audio, video and audiovisual systems – Interconnections and matching values – Preferred matching values of analogue sinals. International Electrotechnical Commission, 12.5.1996, s. 41. [21] HOWARD, K. Between the Ears: the art and science of measuring headphones. Stereophile. 29.8.2008, roč. 46, č. 8, s. 55. [22] YOUNG, W. Audiologica. Intput Capacitors for Headphone Amps [on-line]. Vydáno: 10.2.2010. [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://tangentsoft.net/audio/input-cap.html [23] YOUNG, W. Audiologica. Biasing Op-Amps into Class A [on-line]. Vydáno: 22.9.2008. [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://tangentsoft.net/audio/opampbias.html [24] MICHÁLEK, J., GRATZ, P., KELLNER, M. Měření a parametry zesilovačů [online]. Vydáno: 10.5.2000. [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://www.hw.cz/ART598-Mereni-a-parametry-zesilovacu-1.cast.html [25] CORDELL, B. Designing Audio Power Amplifiers. New York: McGraw-Hill Professional, 2007. 608 s. ISBN 978-0-07-164024-4 [26] Sanyo Electric Co., Ltd. [on-line]. Datasheet Sanyo UF463048F – Lithium ion [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://www.tme.eu/dok/S/SanyoUF463048F.pdf [27] Maxim Integrated Products Inc. [on-line]. Datasheet MAX1873 – Simple CurrentLimited Switch-Mode Li+ Charger Controller [citováno 18.12.2011]. Dostupné z:

35

http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX1873.pdf [28] Maxim Integrated Products Inc. [on-line]. Datasheet MAX931 – Ultra Low-Power, Low-Cost Comparators with 2% Reference [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX931-MAX934.pdf [29] Texas Instruments Inc. [on-line]. Datasheet TLE2426 – The “Rail Splitter Precision Virtual Ground [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tle2426.pdf [30] Texas Instruments Inc. [on-line]. Datasheet LM317 – Terminal Adjustable Regulator [citováno 18.12.2011]. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm117.pdf [31] BELZA, J. Jednoduchý napájecí zdroj. Praktická elektronika A Radio. 1998, roč. 3, č. 11, s. 5. ISSN 1211-328.

36

SEZNAM

SYMBOLŮ, VELIČIN A ZKRATEK

THD+N

Total Harmonic Distortion + Noise – celkové harmonické zkreslení

SNR

Signal to Noise Ratio, poměr signál/šum

SR

Slew Rate, doba přeběhu

RC

Typ filtru, obsahující odpor a kondenzátor

FET

Field Effect Tranzistor – tranzistor řízený elektrickým polem

JFET

Junction Gate FET

MOSFET

Metal Oxide Semiconductor FET

PCB

Printed Circuit Board – deska plošných spojů

DPS

Deska plošných spojů

EMC

Electromagnetic kompatibilita

SS

Stejnosměrné

OA

Operational Amplifier

OZ

Operační zesilovač

IEC

International Electrotechnical Commission

Li-Ion

Lithium-Iontový akumulátor

Compatibility

37

–

elektromagnetická

SEZNAM

PŘÍLOH

A Obvodové zapojení

39

A.1

Obvodové zapojení signálové části zesilovače ............................... 39

A.2

Obvodové zapojení nabíjecího obvodu zesilovače ......................... 40

A.3

Obvodové zapojení napájecí části zesilovače ................................ 41

A.4

Obvodové zapojení externího napájecího zdroje ........................... 41

A.5

Obvodové zapojení akumulátorů .................................................. 42

B Analýzy v softwaru Orcad/Pspice

43

B.1

Porovnávací analýza .................................................................... 43

B.2

Simulace navržené signálové části ................................................ 45

C Obrazce desek plošných spojů

49

C.1

PCB zesilovače ............................................................................. 49

C.2

PCB akumulátorů ........................................................................ 51

C.3

PCB externího stabilizovaného zdroje.......................................... 53

D Seznamy součástek

54

D.1

Seznam součástek – PCB zesilovače............................................. 54

D.2

Seznam součástek – PCB akumulátorů ........................................ 56

D.3

Seznam součástek – PCB externí stabilizovaný zdroj .................. 56

E Měření zesilovače

58

E.1

Měření modulové kmitočtové charakteristiky ............................... 58

E.2

Měření maximálního výstupního výkonu pro limitaci .................. 59

E.3

Měření vstupního odporu zesilovače ............................................. 59

E.4

Měření výstupního odporu ........................................................... 59

E.5

Měření SR .................................................................................... 60

E.6

Měření THD................................................................................. 60

F Fotodokumentace

61

38

A OBVODOVÉ A.1

ZAPOJENÍ

Obvodové zapojení signálové části zesilovače

Obr. 10 Zapojení signálové části sluchátkového zesilovače

39

A.2

Obvodové zapojení nabíjecího obvodu zesilovače

Obr. 11 Zapojení nabíjecího obvodu a správy akumulátorů

40

A.3

Obvodové zapojení napájecí části zesilovače

Obr. 12 Zapojení napájecí části zesilovače

A.4

Obvodové zapojení externího napájecího zdroje

Obr. 13 Zapojení externího stabilizovaného zdroje

41

A.5

Obvodové zapojení akumulátorů

Obr. 14 Zapojení obvodu akumulátorů

42

B ANALÝZY B.1

VCC

7.4V

VDD

V3

0

VDE

V5 V1 = 0V V2 = 1V TD = 0 VOFF = 0V TR = 0.00000000001us VAMPL = 1V TF = 0.00000000001us FREQ = 10k PW = 10u PER = 50u

0

0

VCE

V6

V7 1Vac 0Vdc

0

0

VCC

R1

8 3

VDE

VCC

U1 7

V+ U3

+

OUT

3

- 4 AD823an/AD V-

R5 100k

U8 7 8

VDE

3

4.3k

OUT1

6

4

116

BUF634X/BB V-

2

4

VEE C1

OPA2604/BB V-

R26 1k

0

0

U6 7

R7 3

+

2

-

U2 7

4

0

VCC

R13

V+

8 BW

OZ3

OUT

3

7

2

116

BUF634X/BB V-

R10 0.0001

-

VEE

0

R12

18p

R14 1k

0

0

0

0 VCC

VCC

3

+

4.3k 2 R23 100k

-

4

V+ CASE

U4 7 8 1

6 OUT 5 T2 1 T1 OPA637/BB V-

U11 7 1 V+N1 3 +

OZ5 3

VDE 4.3k

V+ R21

BW OUT

6

OUT5

2

IN 4

BUF634X/BB V-

116

R35 100k

C12 470p

R22 0.0001

-

5 V-

U127 1 6 8

OZ6 3

C

V+ R33

BW OUT

0

5p

R36

R32 1k

R20 1k

0

0

0

0

Obr. 15 Zapojení vybraných typů OZ k porovnávací analýze

43

116

R34 0.0001

4.7k

4.7k

OUT6

BUF634X/BB V-

VEE R24

18p

6

IN 4

C13 VEE C11

VEE

0

OUT N2

4 AD744/AD

VEE C7 18p

VCC

VCC

R31 U107

R19

0

0

R18 4.7k

R8 1k

C8 470p

116

BUF634X/BB V-

4 R16 0.0001

4.7k

VDE

OUT4

6

IN

VEE C5 VEE

0

OUT

3

OPA134/BB V-

4

R17 100k

C6 470p

BW

OZ4

6

V+ R15

1

VEE C3 18p

U9 7

V+ U5

+

OUT

IN 4

VCC

4.3k

OUT3

6

3

VDE

R9

1

6 OUT 5 T2 1 T1 OPA627/BB V-

R11 100k

0

VCC

V+ CASE

4.3k

0

0

4.7k

VCC

C4 470p

116

BUF634X/BB V-

R28 0.0001

R30

18p

R2 1k

VDE

OUT2

VEE

0

R6 4.7k

0

6

OUT IN

VEE C9 VEE

0

BW

3

4

-

R29 100k

C10 470p

V+ R27

1 OZ2

1

OUT

R4 0.0001

18p

V+ U13A

+

IN

2

VCC

R25

V+

BW

OZ1

1

OUT

VCC

R3

1

4.3k

C2 470p

ORCAD/PSPICE

Porovnávací analýza

VEE

V2 -7.4V

V SOFTWARU

0

‫ڱڋډڑ‬

‫ڱڋډڏ‬

‫ڱڋډڍ‬

‫ڱڋ‬

‫ڱڋډڍڈ‬

‫ڱڋډڏڈ‬

‫ڱڋډڑڈ‬ ‫ێڋ‬ ‫ڄڑگڰڪڃڱ‬

‫ێېڋڌ‬ ‫ڄڐگڰڪڃڱ‬

‫ڄڏگڰڪڃڱ‬

‫ێېڋڍ‬ ‫ڄڎگڰڪڃڱ‬

‫ێېڋڎ‬ ‫ڄڍگڰڪڃڱ‬ ‫ڄڌگڰڪڃڱ‬

‫ێېڋڏ‬

‫ێېڋڐ‬

‫ێېڋڑ‬

‫ێېڋڒ‬

‫ێېڋړ‬

‫ێېڋڔ‬

‫ێېڋڋڌ‬

Obr. 16 Charakteristika porovnání rozkmitu výstupního napětí vybraných OZ

Nastavení analýzy: • • •

Vstupní harmonický signál: sinusový, amplituda 2,3 Vpp, kmitočet 10 kHz Plné vybuzení (pot. 100 %) Zatěžovací odpor 116 Ω

Výsledek analýzy: • •

Porovnání vybraných OZ Obvod OPA134 spolu s AD823 vykázaly nejvyšší rozkmit

44

B.2 VCC

VEE

V2 7.4V

Simulace navržené signálové části VDD

V3 -7.4V

0

V5 V1 = 0V V2 = 1.15V TD = 0 TR = 0.0001ps TF = 0.0001ps PW = 20u PER = 50u

0

VDE

VCE

V6 VOFF = 0V VAMPL = 1.1V FREQ = 10k

V8

V7 1Vac 0Vdc

0

VSS

1Vdc

0

0

VCC

R2

1u

4.3k

C8 100n

3

+

U9 U5

OUT 2

-

4

0

3 R6

OPA134/BB VC6 100n

C2 470p

R3 100k

1 OZ_OUT

6

BW OUT

0

R7

0

0

4.7

BUF634X/BB V-

18p

0

C10 100n

C11 33u

0 J2 2N5486/PLP

1k

4.7k

0

0

J1 2N5484/PLP

VEE R8 1K SET = 0.5

Obr. 17 Zapojení signálové části sluchátkového zesilovače


R10 OUT 600

4

VEE

0

R5 R4 1k

R9

6

IN

0.0001

C7 2.2u

VEE C3

C9 33u

7

C1

C5 2.2u

7

C4 100n V+

R1 50k SET = 0

VCC

V+

VCE

0

Odečtena vstupní impedance: 100 kΩ Odečtena výstupní impedance: 4,69 Ω

45

‫ڿڋڋڌ‬

‫ەڣڨڋډڌ‬

‫ەڣڦڋڋڎ‬

‫ەڣڦڋڋڌ‬

‫ەڣڦڋڎ‬

‫ەڣڦڋڌ‬

‫ەڣڦڋډڎ‬

‫ەڣڦڋډڌ‬

‫ەڣڋڋڎ‬

‫ەڣڋڋڌ‬

‫ەڣڋڎ‬

‫ەڣڋډڎ‬ ‫ەڣڋڌ‬ ‫ڄڄکڤڃڱڊڄگڰڪڃڱڃګ‬

‫ەڣۈڋڋڎ‬ ‫ەڣڋډڌ‬ ‫ٻٻڍ ڄڄکڤڃڱڊڄگڰڪڃڱڃڝڟ‬

‫ڍ‬ ‫ٻ‬

‫ڿڋڐ‬

‫ڋڌ‬

‫ڿڋڈ‬

‫ڐ‬

‫ڿڋڐڈ‬

‫ڋ‬

‫ڿڋڋڌڈ‬

‫ڐڈ‬

‫ڙڙٻٻٻ‬ ‫ڿڋڐڌڈ‬ ‫ەڣۈڋڋڌ‬ ‫ٻٻڌ‬

‫ٻٻٻٻٻٻٻٻٻٻٻ‬ ‫۔ھۉۀېیۀۍڡ‬

‫‪Obr. 18 Frekvenční a fázová charakteristika zesilovače v dB‬‬

‫‪Nastavení analýzy:‬‬ ‫‪Vstupní harmonický signál: sinusový, amplituda 2 Vpp‬‬ ‫)‪Plné vybuzení (pot. 100 %‬‬ ‫‪Zatěž 600 Ω‬‬

‫•‬ ‫•‬ ‫•‬

‫‪Výsledek analýzy:‬‬ ‫‪Pro pokles o 3 dB odpovídá šířka pásma od 1,5 Hz - 82 kHz‬‬

‫‪46‬‬

‫•‬

‫ڐڌ‬

‫ڋڌڈ‬

‫ڌ‬ ‫ٻ‬

‫ڲڋډڌ‬

‫ڍ‬ ‫ٻ‬

‫ڱڋډڏ‬

‫ڌ‬ ‫ٻ‬

‫ڲړډڋ‬ ‫ڱڋډڍ‬

‫ڲڑډڋ‬

‫ڱڋ‬

‫ڲڏډڋ‬

‫ڱڋډڍڈ‬ ‫ڲڍډڋ‬

‫ێېڋڋڍ‬

‫ێېڋړڌ‬

‫ێېڋڑڌ‬

‫ێېڋڏڌ‬

‫ێېڋڍڌ‬

‫ێېڋڋڌ‬

‫ێېڋړ‬

‫ێېڋڑ‬

‫ێېڋڏ‬

‫ێېڋڍ‬ ‫ڄڋڌڭڃڲ ٻٻڍ‬

‫ڄگڰڪڃڱ‬

‫ڙڙٻٻٻ‬ ‫ڲڋ‬ ‫ێڋ‬ ‫ٻٻڌ‬

‫ڱڋډڏڈ‬

‫ٻٻٻٻٻٻٻٻٻٻٻ‬ ‫ۀۈۄگ‬

‫‪Obr. 19 Amplitudová a výkonová charakteristika‬‬

‫‪Nastavení analýzy:‬‬ ‫‪Vstupní harmonický signál: sinusový, amplituda 1,74 Vpp, kmitočet‬‬ ‫‪1 kHz‬‬ ‫)‪Plné vybuzení (pot. 100 %‬‬ ‫‪Zatěž 16 Ω‬‬

‫•‬ ‫•‬ ‫•‬

‫‪Výsledek analýzy:‬‬ ‫‪Odečten rozkmit výstupního napětí: 7,4 Vpp‬‬ ‫‪Odečten špičkový výstupní výkon: 850 mW‬‬

‫•‬ ‫•‬

‫ڲۈڋڑ‬

‫ێېڋڋڍ‬

‫ێېڋړڌ‬

‫ێېڋڑڌ‬

‫ێېڋڏڌ‬

‫ێېڋڍڌ‬

‫ێېڋڋڌ‬

‫ێېڋړ‬

‫ێېڋڑ‬

‫ێېڋڏ‬

‫ێېڋڍ‬ ‫ڄڋڌڭڃڲ ٻٻڍ‬

‫ٻٻٻٻٻٻٻٻٻٻٻ‬ ‫ۀۈۄگ‬

‫‪Obr. 20 Amplitudová a výkonová charakteristika‬‬

‫‪47‬‬

‫ڄگڰڪڃڱ‬

‫ڍ‬ ‫ٻ‬

‫ڱڋډڑ‬

‫ڲۈڋڐ‬

‫ڱڋډڏ‬

‫ڲۈڋڏ‬

‫ڱڋډڍ‬

‫ڲۈڋڎ‬

‫ڱڋ‬

‫ڲۈڋڍ‬

‫ڱڋډڍڈ‬

‫ڲۈڋڌ‬

‫ڱڋډڏڈ‬

‫ڙڙٻٻٻ‬ ‫ڲڋ‬ ‫ێڋ‬ ‫ٻٻڌ‬

‫ڱڋډڑڈ‬

‫ڌ‬ ‫ٻ‬


Vstupní harmonický signál: sinusový, amplituda 2,2 Vpp, kmitočet 1 kHz Plné vybuzení (pot. 100 %) Zatěž 600 Ω


Odečten rozkmit výstupního napětí: 12 Vpp Odečten špičkový výstupní výkon: 60 mW

‫ڱڋډڑ‬

‫ڱڋډڐ‬

‫ڱڋډڏ‬

‫ڱڋډڎ‬

‫ڱڋډڍ‬

‫ڱڋډڌ‬

‫ڱڋ‬ ‫ێڋ‬

‫ێېڐ‬

‫ێېڋڌ‬

‫ێېڐڌ‬

‫ێېڋڍ‬

‫ێېڐڍ‬

‫ێېڋڎ‬

‫ێېڐڎ‬

‫ێېڋڏ‬

‫ێېڐڏ‬

‫ێېڋڐ‬

‫ێېڐڐ‬

‫ێېڋڑ‬

‫ێېڐڑ‬

‫ێېڋڒ‬

‫ێېڐڒ‬

‫ێېڋړ‬

‫ڄگڰڪڃڱ‬ ‫ٻٻٻٻٻٻٻٻٻٻٻ‬ ‫ۀۈۄگ‬

Obr. 21 Měření doby přeběhu, stabilita zesilovače


Vstupní harmonický signál: kmitočet 20 000 kHz Plné vybuzení (pot. 100 %) Zatěž 600 Ω

obdélník,

amplituda


Ověřena stabilita zesilovače Odečtena rychlost přeběhu (bez limitace): 2,2 V/ s

48

1,15 V,

C OBRAZCE C.1

DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ

PCB zesilovače

Obr. 22 PCB zesilovače, strana top, 100,5x100,0 mm, M 1:1

49

Obr. 23 PCB zesilovače, strana bottom, 100,5x100,0 mm, M 1:1

50

Obr. 24 Osazeni PCB zesilovače, strana top, 100,5x100,0 mm, M 1:1

C.2

PCB akumulátorů

Obr. 25 PCB akumulátorů, strana top, 78x62 mm, M 1:1

51

Obr. 26 PCB akumulátorů, strana bottom, 78x62 mm, M 1:1

Obr. 27 Osazeni PCB akumulátorů, strana top, 78,5x62 mm, M 1:1

Obr. 28 Osazeni PCB akumulátorů, strana bottom, 78,5x62 mm, M 1:1

52

C.3

PCB externího stabilizovaného zdroje

Obr. 29 PCB externího stabilizovaného zdroje, strana bottom, 113x64,8 mm, M 1:1

Obr. 30 Osazení PCB externího stabilizovaného zdroje, top, 113x64,8 mm, M 1:1

53

D SEZNAMY D.1

SOUČÁSTEK

Seznam součástek – PCB zesilovače

Tab. 5 Seznam součástek – PCB zesilovače Č.

Položka

Druh

Hodnota

Počet

Rozteč /pouzdro

1

R2R, R2L, R2G

Rezistor

4k3

3

0204

2

R3R, R3L, R3, R4

Rezistor

100k

4

0204

3

R4R, R4L, R7R, R7L

Rezistor

1K5

4

0204

Rezistor

4k7

5

0204

5k6 4R7 33k 6k8 47k 10k 0R12 24R0 1k5 220k BZY024 1N5822 1N5818 1N4148

2 2 1 1 1 3 1 1 2 1 1 2 1 1

0204 0207 0204 0204 0204 0204 0411 0204 0204 0204 DO-41 DO-201 DO-41 DO-35

2W 3A 1A 0,2A

18p

3

RM 5

NPO

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

R5R, R5L, R5G, R14, R15 R6R, R6L R8R, R8L R11 R12 R13 R16, R2, R8 R1 R10 R6, R7 R9 DZ1 D1, D3 D4 D2

Rezistor Rezistor Rezistor Rezistor Rezistor Rezistor Rezistor Rezistor Rezistor Rezistor Zenerova dioda Schottky dioda Schottky dioda Dioda Keramický 19 C3R, C3L, C3G kondenzátor

Pozn.

2W

20

C14, C15, C11

Keramický kondenzátor

1n

3

RM 5

NPO

21

C16, C17, C7, C1, C9, C2


100n

6

RM 5

X7R

22

C4


220n

1

RM 5

Z5U

23

C3


47n

1

RM 5

X7R

54

24

C8, C10, C12, C13

Elektrolytický kondenzátor

220u/25V

4

RM 5

25

C5, C6


4,7u/6,3V

2

RM 1,5

26

C18, C19


33u/25V

2

RM 2

27

VR1, VR2

TL431CLP

2

TO-92

28

Q1

BC327-25

1

TO-92

29

Q1R, Q1L

2SK30ATM-Y

2

TO-92

Toshiba

30

Q2R, Q2L

2SK30ATM-GR

2

TO-92

Toshiba

31

IC1

MAX745

1

SSOP

Maxim

32

IC2

MAX931

1

SO-8

Maxim

33

IC3

IRF7303

1

SO-8

34

IC4

TLE2426

1

TO-92

35

IO1A

OPA2134P

1

DIP-8

BurrBrown

36

IO1G

Operační zesilovač

OPA134P

1

DIP-8

BurrBrown

37

IO2R, IO2L, IO2G

Výkonový budič

BUF634

3

TO-220

BurrBrown

38

P1

Trimr

64Y 100k

1

RM 5 (2x2,5)

39

P1R, P1L

Trimr

64Y 1K

2

RM 5 (2x2,5)

40 41 42 43 44

CON1 CON2 JP1 JP2 L1

2,1mm 6,3mm RM 2,54 RM 2,54 SCB5D

LED1, LED2

K375A ACJS-MH PS06-S PSH02-04PG 22u/2,8A L115WEGWCA

1 1 1 1 1

45

Konektor Konektor Konektor Konektor Tlumivka LED dioda dvoubarevná

2

3mm

46 47

S1, S2 VOL

Přepínač Potenciometr

P-KNX236 RK27112

2 1

Z-IC referenční zdroj PNP Tranzistor N-FET Tranzistor N-FET Tranzistor Bateriový nabíječ Komparátor Dual N-Mosfet Tranzistor Splitter Operační zesilovač

55

R/G ON-ON LOG

D.2

Seznam součástek – PCB akumulátorů

Tab. 6 Seznam součástek – PCB akumulátorů Č.

Položka

Druh

Hodnota

Počet

Rozteč /pouzdro

Pozn.

1

JP1

Konektor

ASS11020G

1

RM 2,54

6-pin

2

C1

68u/20V

1

SMD-D

Low ESR

3 4 5

TERM AKU1-AKU4 BAT1 - BAT4

NTC 47k UF463048F PFF02-01FG

1 4 12

Rm 2,54

D.3

Elektrolytický kondenzátor Termistor Akumulátor Kontakty

Sanyo

Seznam součástek – PCB externí stabilizovaný zdroj

Tab. 7 Seznam součástek – PCB externí stabilizovaný zdroj Č.

Položka

Druh

Hodnota

Počet

Rozteč /pouzdro

1 2 3 4

R1 R2 R4 R3

Rezistor Rezistor Rezistor Rezistor

240R 3k6 1k8 1k0

1 1 1 1

0207 0207 0207 0207

5

M1

Můstek

BC250C 1500

1

6

D1, D2 C1, C2, C3, C4

Dioda Keramický kondenzátor

1N4007

2

DO-41

22n/50V

4

RM 5

X7R

8

C6, C8, C10, C12


100n

4

RM 6

X7R

9

C5


2200u/35V

1

RM 7,5

10

C7


10u/25V

1

RM 2,54

11

C9


470u/25V

1

RM 5

7

56

Pozn.

12

C11


47u/25V

1

RM 5

13

C13


100u/25V

1

RM 5

14

IO1

LM317

1

TO-220

15

Q1

BD243C

1

TO-220

16 17

LED JP1, JP2

L-424GD PSH02-02PG

1 2

prům. 3mm RM 2,54

PTF 15, 0,08 A

1

RM 22,6

T-Fuse 18V/0,9A

Napěťový regulátor NPN Tranzistor LED dioda Konektor

18

F1

Pojistkový držák + pojistka

19

TR1

Transformátor

EI54/18,8 118

1

ta40/B

20

H1, H2

Chladič

V7141

2

25x15x17mm

57

E MĚŘENÍ E.1

ZESILOVAČE

Měření modulové kmitočtové charakteristiky

Přenos Au v závislosti na kmitočtu f: (UVST=100 mV, Low-gain) fD=8 Hz B=80 kHz 16

14

12

Au [dB]

10

8

6

4

2

0 1

10

100

1000

10000

f [Hz]

Obr. 31 Modulová kmitočtová charakteristika zesilovače

58

100000

E.2

Měření maximálního výstupního výkonu pro limitaci

Výstupní napětí na hranici limitace: (f=1 kHz, UVST=0,41 VRMS, režim High-gain) UVÝST=4,32 VRMS Výstupní výkon (pro RZ=16 Ω):

PMAX =

PMAX =

2 U VÝST

(E.1)

RZ 4,32 2 = 1,17W 16

Výstupní výkon (pro RZ=600 Ω): PMAX =

E.3

4,32 2 = 31mW 600

Měření vstupního odporu zesilovače

Vstupní odpor sluchátkového zesilovače: (f=1 kHz, UVST=100 mV, vol. 50 %) RVST=40 kΩ (High-gain) RVST=50 kΩ (Low-gain)

E.4

Měření výstupního odporu

Výstupní odpor sluchátkového zesilovače: (f=1 kHz, RZ=15 Ω, UVST=500 mV, vol. 50 %, režim High-gain)

U2=441 mV (RZ=15 Ω) U20=639 mV (RZ= Ω)

59

RVÝST = RZ

U 20 − U 2 U2

RVÝST = 15 ⋅

0,639 − 0,441 = 6,74Ω 0,411

E.5

(E.2)

Měření SR

SR – doba přeběhu sluchátkového zesilovače: (f=1 kHz, vol. 100 %, UVST=400 mVRMS) Rychlost přeběhu náběžné hrany SRrise=4,5 V/µs Rychlost přeběhu sestupné hrany SRfall=4,6 V/µs

E.6

Měření THD

THD – celkové harmonické zkreslení sluchátkového zesilovače: (f=1 kHz, Rz=15 Ω, UVST=100 mV, THD+N

GEN

THD+N=0,017 % (vol. 50 %, UVÝST=394 mV) THD+N=0,021 % (vol. 100 %, UVÝST=742 mV)

60

=0,0003 %)

F FOTODOKUMENTACE

Obr. 32 Fotografie přední části zesilovače

Obr. 33 Fotografie zadní části zesilovače

61

Obr. 34 Fotografie horní části zesilovače

Obr. 35 Fotografie vnitřní části zesilovače

62

Obr. 36 Fotografie vnitřní odkryté části zesilovače

63

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Recommend Documents