TDA7294 и LM3886: объективное сравнение усилителей на микросхемах

В этой статье я уже проводил пробное сравнение TDA7294 и LM3886, но тогда тест был больше «по даташитам» и частично на слух. Вторая попытка сравнения оказалась неудачной — подвела разводка печатной платы LM3886. Третья попытка сравнить эти две микросхемы наконец получилась более успешной.

Я собрал на каждой из микросхем инвертирующий усилитель. Почему инвертирующий? Причин несколько:

• у меня уже был собран такой усилитель на TDA7293;
• в инвертирующем усилителе нет электролитического конденсатора в цепи сигнала;
• инвертирующий усилитель часто оказывается чуть стабильнее по искажениям: в нем отсутствует синфазная составляющая на входном дифференциальном каскаде.

Схемы обоих усилителей практически одинаковы, за исключением нюансов каждой микросхемы: цель — чтобы различия определялись именно TDA7294 и LM3886. Кстати, TDA7293 я использовал потому, что она лучше, чем TDA7294. И если есть вариант лучше — зачем брать худший?

Схемы и методика

Разница в схемах небольшая. В TDA7293 присутствуют конденсаторы вольтодобавки C5–C6, другое управление режимом Mute и разделение земель резистором R10. В LM3886 добавился резистор R3, уменьшающий постоянку на выходе (в TDA7293 он не нужен) и катушка на выходе (необходимая согласно даташиту). Опыта по разделению земель в LM3886 у меня нет, поэтому нет и разделительного резистора (чтобы ничего не ухудшить ненароком). Хотя входная и силовые земли все равно надежно разделены монтажно.

В прошлом неудачи в сравнении были вызваны плохой монтажной схемой усилителя на LM3886. Я так и не нашел времени придумать свою, но обнаружил подходящую разводку в интернете. И тут возникла закавыка: исходная разводка не моя, и было бы хорошо объявить вслух, чью разводку я взял за исходную. Но в ней была пара мелких «бяк» и один довольно крупный косяк — поэтому это может послужить антирекламой автору. Так что я промолчу об авторе разводки, тем более что я ее довольно сильно изменил. Скажу сразу — это далеко не идеал, особенно по габаритам, но по правильности получилось очень хорошо.

В обеих схемах земля разделена, но у LM3886 без разделительного резистора (поскольку я не уверен, что с ним будет лучше). Если с моей платой все понятно и все ОК, то разводку платы LM3886 немного поясню. Низковольтная земля (вход, ООС) разведена на «полупятак» в центре платы. Слева платы разведена силовая земля — питание и нагрузка. Туда же входит и сравнительно тонкий проводник, соединяющий эти разделенные земли. Ток по нему, в общем-то, не течет (условно), а нужен проводник для задания потенциала земли. На силовой земле лежат 2 медных проводника диаметром 0,8 мм. Они соединяют между собой выводы электролитических конденсаторов фильтра питания и служат для уменьшения сопротивления дорожки. В середине этих проводников (посередине между электролитами) подключается провод земли источника питания. Так что провод питания и электролиты соединены примерно в одной точке. «Межземельный» провод подходит примерно в эту же точку, но перпендикулярно, так что не затрагивает ток питания, протекающий по силовой земле. Примерно также перпендикулярно, но с другой стороны, подходит провод земли нагрузки. В результате токи питания, нагрузки и «межземельный» взаимно независимы. На самом деле нагрузка подключена немного несимметрично, но сопротивление этой несимметрии мало — дорожка нагрузки входит в широченную дорожку земли, и несимметрия влияет очень мало.

На плате LM3886 слева две черные линии — отрезки провода диаметром 0,8 мм, припаянные к земляному проводнику для того, чтобы получить соединение конденсаторов C4 и C7 «в одной точке» с минимальным сопротивлением.

Детали я использовал абсолютно одинаковые в обоих схемах (под них и разводил 3886). Наиболее важными считаются конденсаторы. На входе полипропиленовые EPCOS, на выходе (в цепи Цобеля) полипропиленовые К78-19, в цепи питания лавсановые EPCOS. После первых экспериментов, в усилителе на LM3886 заменил и электролиты в питании на фирменные LOW ESR.

Обе платы я установил на общий радиатор от усилителя «Орбита» (микросхема LM3886T в изолированном корпусе, взаимного соединения не произойдет).

Все это я подключил к стабилизированному источнику питания Matrix 2×31,6 вольт. Сигнал подавался и обрабатывался звуковой картой EMU-0404. Выходной сигнал контролировался цифровым осциллографом RIGOL с использованием режима цифровых измерений. Для компьютерных измерений использовались программы ARTA и SpectraPlus (бывшая SpectroLab).

Как показала практика, на частотах ниже 500 Гц эти источники питания вносили искажения из-за того, что ток, потребляемый усилителем, приближался к пределу срабатывания защиты (имеется ввиду ток в импульсе, средний ток был довольно маленьким). Поэтому я использовал нестабилизированный источник 2×28 вольт. Это очень хороший источник, но у него маловато напряжение, а я хотел нагрузить микросхемы посильнее, выжав максимальную мощность. Тем не менее, и с ним все получилось.

В процессе работы выяснилось, что LM3886 перегревается и у нее срабатывает тепловая защита. Пришлось поставить ее на отдельный радиатор и добавить 80-мм компьютерный кулер, запитанный от напряжения 5 вольт, иначе искажения здорово росли прямо в процессе измерений.

Каждая из микросхем подключалась по отдельности.

Чем нагружал

В одном варианте нагрузки я использовал мощные проволочные резисторы ПЭВ (очень линейные, кроме того, они нагружались не более чем на 1/4) в различных комбинациях. Измерения показали, что их индуктивность мизерна и начинает сказываться на частотах выше 100–200 кГц. Такую нагрузку я буду обозначать R. Например, R = 4 Ома. Другая нагрузка имеет сложный комплексный характер. Это довольно трудная, но достаточно реальная нагрузка. АЧХ и ФЧХ ее импеданса показаны на рис. 8. Ее я буду обозначать Z.

Что измерял: THD и IMD

Некоторые справедливо ругают коэффициент гармоник Кг (THD) за то, что он имеет смысл «средней температуры по больнице». Ну что поделаешь, что до сих пор о нелинейности усилителя судят по этому сильно упрощенному показателю. Я придерживаюсь мнения, что на звук сильно влияет не только величина нелинейности, но и ее порядок (характер) — чем выше порядок, тем хуже звук. В просторечии это называют так: «высшие гармоники более вредные, чем низшие».

Поэтому кроме стандартного Кг, я буду использовать нормированный к номеру гармоники параметр Кг', который вычисляется так:

где k — номер гармоники.

Интересно, что некоторые люди, критикующие стандартный Кг за его равноправие по отношению к номерам гармоник, Кг' совершенно не приемлют, несмотря на то, что он все же лучше. Кг' тоже далеко не идеал, но в отсутствии идеала, на мой взгляд, лучше пользоваться коэффициентом хоть и приближенным, но более точным. Типа из двух зол выбираем менее неточное. А они говорят: «пока не дадите нам идеальную меру, будем пользоваться самым неточным коэффициентом Кг».

Но ведь известно, что «заметность гармонических искажений третьего порядка вдвое выше, чем искажений второго порядка, заметность искажений от пятого порядка и выше в 6…10 раз выше, чем второго». Так что Кг' пусть и не идеально, но все же учитывает тот факт, что «высшие гармоники звучат хуже». Хотя в качестве рекламы Кг гораздо лучше, чем Кг' — ведь его значение значительно меньше…

Что получилось: тесты TDA7294 и LM3886

Некоторые считают меня апологетом микросхемы TDA7294–TDA7293. Типа я ее люблю, а все остальные ненавижу. Это неправда. Просто так вышло, что я начал работать именно с этой микросхемой, и не видел веских причин переходить на какие-то другие.

Тест №1. Максимальное выходное напряжение-ток-мощность. Я подключил на выход нагрузку R = 2 Ом, чтобы максимально нагрузить усилитель выходным током, и посмотрел, какое максимальное выходное напряжение (и мощность) дает каждый из усилителей при THD = 1%.

У TDA7294 небольшой выигрыш — 0,5 вольт действующего значения. В общем-то, мелочь, около 5% по напряжению или примерно 10% по мощности. Но учтите, что микросхема LM3886 при этом стояла на большом радиаторе и обдувалась (хоть и не сильно) вентилятором.

Тест №2. АЧХ усилителей. АЧХ снимались в режиме большого сигнала: выходное напряжение 10 вольт RMS, сопротивление нагрузки R = 6 Ом. Т.е. в реальных условиях, а не в тех «тепличных», которые иногда используют для получения красивых рекламных чисел.

Небольшое несовпадение АЧХ на частоте 20 Гц — следствие разброса емкости входного конденсатора.

У TDA7293 частота среза порядка 110 кГц, у LM3886 порядка 90 кГц. На самом деле четкого ответа, что лучше, нет: обе микросхемы хороши. Поэтому тут полная ничья. Более того, такой широкий диапазон рабочих частот в реальности не очень-то и нужен (если не считать рекламы). Поэтому после следующего теста на скорость нарастания я в оба усилителя установил конденсатор в цепь ООС так, как описано здесь. В результате частота среза упала до примерно 70 кГц.

Существует формула (критерий динамической линейности) для вычисления требуемой скорости нарастания выходного напряжения усилителя. Если условие выполняется, то динамические искажения не возникнут никогда:

Секрет в том, что при вычислении требуемой скорости нарастания в формулу правильно подставлять в качестве частоты fmax не максимальную звуковую частоту 20 кГц, а максимальную рабочую частоту усилителя (частоту среза). Именно в этом случае не будет динамических искажений.

Хотя есть еще один вариант объяснения различий в АЧХ, который я не проверял: у LM3886 на выходе стоит катушка, так что на самых высоких частотах спад АЧХ может давать именно она.

Тест №3. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения. На вход усилителя подаю с функционального генератора Matrix меандр частотой 10 кГц. Нагрузка по-прежнему есть: активная R = 6 Ом.

Я использовал оба метода измерений: «мягкий» (в пределах номинального входного напряжения) и «жесткий» (огромная амплитуда на входе для максимальной скорости нарастания). На рисунках слева — первый способ, справа — второй. Кстати, сравните, как реклама выигрывает от смены метода измерений!

Слева при выходном напряжении меандра 15 вольт (амплитудных). Справа при подаче на вход напряжения в 5 раз выше максимального.

Слева при выходном напряжении меандра 15 вольт (амплитудных). Справа при подаче на вход напряжения в 5 раз выше максимального.

Результаты сводим в таблицу:

Микросхема	Скорость нарастания «реальная», В/мкс	Скорость нарастания максимальная, В/мкс
TDA7293	6	8,3
LM3886	5,6	16,6

Тест №4. Измеряем THD и THD' на частоте 1 кГц при выходном напряжении 10 В RMS и нагрузке либо R = 4 Ома (Рвых = 25 Вт), либо R = 8 Ом (Рвых = 12,5 Вт). Рассматриваем влияние сопротивления нагрузки (и выходного тока) на искажения.

Искажения LM3886 заметно выше. Но в спектре преобладает «красиво звучащая» 2-я гармоника. Поэтому можно предположить, почему некоторым нравится LM3886 больше, чем TDA7294: возможно, «более сладкое» звучание перевешивает «неправильности», вызванные большими искажениями. Но это пока предположение.

Посмотрим, как влияет нагрузка на каждую из микросхем.

В общем-то влияние небольшое, но меня не оставляет мысль о том, что я недогрузил микросхемы. Возможно, в следующем сравнении надо будет повторить измерения при Rнагр = 2 Ома.

А пока сведу результаты в таблицу для большей наглядности.

Параметр	Сопротивление нагрузки, Ом	LM3886	TDA7293
Кг (THD), %	8	0,02	0,01
Кг (THD), %	4	0,034	0,015
Кг', %	8	0,64	0,52
Кг', %	4	0,43	0,59

Почему-то LM3886 ведет себя аномально: при росте выходного тока Кг' уменьшается. Возможно это случайность, пока я не знаю, почему такое может быть и как это проверить.

Тест №5. АЧХ THD и THD'. APTA почему-то не хочет измерять гармоники выше 22 кГц (несмотря на то, что я установил Fд=96 кГц). Поэтому графики не доведены до 20 кГц, а оборваны там, где начинает теряться точность из-за того, что некоторые гармоники уже не измеряются. Выходное напряжение 10 вольт RMS. Активная нагрузка R = 4 Ом.

Выводы:

1. Комплексность нагрузки влияет не так уж и сильно (особенно на «правильный» THD').
2. У LM3886 основные искажения приходятся на 2-ю гармонику, поэтому при заметном различии в «обычном» THD нормированный THD' обеих микросхем не так уж и различается. Наверное поэтому они звучат примерно одинаково.

Тест №6. Интермодуляционные искажения IMD. Они очень хорошо показывают нелинейность, особенно на высоких частотах, где гармоники бывает трудно измерить. Подавал синусоиды 18 кГц и 19 кГц одинаковой амплитуды. Нагрузка R = 4 Ом и комплексная, выходное напряжение 12 вольт амплитудного значения.

На «простой» нагрузке LM3886 демонстрирует результаты лучше, чем TDA7293 (хотя это не совпадает с АЧХ THD). Основную роль в этом играет разностная частота 1 кГц. На частотах интермодуляций 2, 3, 4 кГц побеждает TDA7293, только неизвестно, влияет ли это на что-нибудь — амплитуды там очень маленькие.

А вот на трудной нагрузке LM3886 сразу «дохнет». Напряжение 12 вольт амплитуды было выбрано потому, что большее (16 вольт) LM3886 «не тянула»: похоже, шла в разогрев, и искажения росли во времени до ужасных величин. TDA7293 при 16 вольтах работала спокойно.

На мой взгляд, причина в разных выходных транзисторах этих микросхем. У TDA7293 и TDA7294 на выходе используются полевые транзисторы. Их входной ток практически не зависит от сопротивления (и тока) нагрузки. У LM3886 на выходе транзисторы биполярные. Ток базы пропорционален выходному току, причем с ростом выходного тока коэффициент передачи транзисторов h21 падает, и ток базы может расти быстрее, чем растет выходной ток. И вполне возможно, что этот повышенный ток базы нагружает драйверный каскад, создавая дополнительные искажения. Также может быть, что микросхема хуже охлаждается (из-за изолированного фланца), и искажения вызывает разогрев кристалла. В общем, тест довольно жесткий.

Заключение

В общем, практически по всем параметрам побеждает TDA7293, но с небольшим отрывом. LM3886 со своей стороны может привлечь сторонников «красивого» звучания своей большой 2-й гармоникой.

На самом деле, этим сравнением я тоже недоволен. Причины:

• В инвертирующем включении не видно разницы в свойствах входных дифференциальных каскадов микросхем. Если они заметно различаются — то мы этого не увидели.
• Слишком большие получились коэффициенты гармоник: в 10 раз больше, чем в даташите. Даже с учетом того, что в даташите публикуют результаты при самых «удобных» измерениях. Особое подозрение вызывает тот факт, что мои измерения TDA7293 не совпали с другими (сделанными для других экземпляров усилителя). Может, где-то промахнулся?
• Нужно измерить АЧХ и зависимость от амплитуды первых пяти гармоник, а потом сводить в кучу, используя THD и THD'.
• Измерять и публиковать искажения до 20-й гармоники — и проверять, насколько это соответствует реальности.
• Может, попалась неудачная микросхема. А может, что-то из элементов на платах. Надо сделать еще по одной плате с другими микросхемами (купленными в другом месте и в другое время) и сравнить.
• Интересно измерить скорость нарастания на «трудной» нагрузке.
• Провести ряд других тестов: допустимый нагрев, работа на малом сигнале и т.д.

В общем — продолжение будет! Узнайте больше о тестах усилителей и измерениях THD/IMD — продолжение следует.