Усилитель со встроенным DSP процессором — центр домашнего бумбокса

После закупки микросхемы я сразу стал разрабатывать плату для колонки. Плата получилась довольно сложная, на борту bluetooth модуль с цифровым выходом, wifi модуль ESP платка для управления колонкой, мощный микроконтроллер с DSP функциями STM32F446, схема зарядки аккумулятора 4S с балансировкой, схема питания от сети 220В, куча внешних разъемов, кнопки. Про колонку будет отдельная статья, здесь же хочу подробнее остановится на данной микросхеме.

Трассировку платы под нее взял из datasheet, все компоненты тоже — чуть-чуть по другому разместил конденсаторы, чтобы паять было проще. Вот уже запаянный усилитель:

Усилитель класса D обязательно должен иметь на выходе катушки индуктивности и конденсаторы, для фильтрации высоких частот. Так как эта микросхема работает на очень высокой частоте, это позволило сильно снизить требования к этой части — катушки индуктивности всего 10mH, а конденсаторы стоят 1uf керамические. В итоге размер платы именно усилителя — всего 40x60мм.

Чтобы полностью раскрыть этот усилитель нужны качественные динамики. Выбрал лучшие басовитые маленькие динамики (по совету с аудио форума) - AURA sound NS3-193 4Ом. В качестве высокочастотных — ленточные твиттеры. Первые тесты звука делал вот в таком коробе из мдф. Именно в этой конфигурации тестировал басы — основной динамик + пассивный Peerles.

Звук сразу поразил своей глубиной, сильным качественным басом. Немного не хватает напряжения аккумуляторов, уже потом понял, что нужны бы 5S, но переделывать уже не стал. Самое главное - абсолютно никакого шипения, помех, щелчков, абсолютно чистый звук на уровне дорогой HiFi системы. На этом этапе пока даже не задействовал функции DSP процессора. А потом я погрузился в море различных настроек процессора, которые позволяют сделать звук еще лучше. Строгим критиком выступал мой сын, который все время говорил — больше баса..

Зачем вообще нужен DSP процессор, итак ведь все хорошо. Звук есть, качество на высоте. Лучшее - враг хорошего и т. д. Но компания TI меня удивила своими возможностями. Эквалайзеры и все остальное — это умеет каждый. Про это писать не буду. Основная задача — исправить с их помощью явные искажения звука на различных частотах. В этой статье расскажу про новую фичу — SMART BASS. Баса в переносных маленьких колонках всегда мало. Такие маленькие динамики не могут раскачать воздух, не хватает размера. Вот их АЧХ.

Динамик имеет резонансную частоту 80Гц, а это значит что в открытом пространстве после 80Гц громкость начинает падать, а в таком маленьком (всего 2л) коробе еще хуже.

Например, на частоте 50Гц в этом коробе падение составляет 12Дб. Задача, которая стояла — заставить играть колонку на 50Гц на уровне 0дб. Для этого были добавлены пассивные динамики. С ними расчётная АЧХ выглядит получше, уже -8дб:

И вот тут и нужен SMART BASS — его задача добавить басы за счет усиления звука. Нагнать эти недостающие 8дб. Скажете — пойдет обычный эквалайзер, добавил усиления и все. Но что будет на большой громкости? Правильно, при усилении, на большой громкости начнутся или искажения звука, или разрушение динамика. Задача, которая решается довольно сложная — нужно максимально усилить звук, чтобы не пострадал динамик и не было искажений звука. Это и делает DSP процессор в режиме SMART BASS. Динамик разрушается за счёт двух вещей: — максимальный ход головки (может порваться диффузор) и перегрев катушки (большая средняя мощность). Нужно балансировать между этими двумя параметрами, но не переходить границу. Причём делать это нужно в зависимости от композиции. Если в музыке слабый бас — можно усиливать на всю катушку, если там один бас, то поменьше. При этом постоянно нужно следить за RMS мощностью и ходом катушки. Да, да — эта микросхема все это умеет! Скажу сразу что в итоге — на басовитых песнях имеем 0 дб на 50Гц практически до половины громкости, далее при росте громкости бас остаётся на том же уровне, а остальное играет громче — получается такой себе лимитер. И это звучит отлично. На средних же песнях имеем мощный бас в течение всей песни. Динамик греется существенно (до 60градусов) но не перегревается и это при том, что на динамик подаётся 30Вт (его RMS 20Вт).

Теперь раскроем магию. Как все это делается? Как можно заставить играть динамик на мощности в 1.5 раза больше расчётной и не спалить его? Для этого задействуется мощная математика. При настройке микросхемы в программе «PurePath Console 3» используется модуль, который рассчитывает ход головки по заданным параметрам. Получается такой график зависимости частоты звука и хода динамика от напряжения. Далее все просто микросхема следит за напряжением по этому графику.

Что касается перегрева динамика, я думаю все знают, что средняя мощность звука в песне меньше максимальной в несколько раз (особенно в попсе). Вот тут Texas Instruments наглядно показывает как все это выглядит на графиках.

У любой песни есть всплески громкости, которые создают общий фон громкости, но они крайне редкие и практически не влияют на RMS. Задача усилителя максимально усилить сигнал, чтобы средняя мощность песни не превысила RMS динамика, а всплески не будут успевать нагревать динамик и будут играться на полной их громкости без урезания, как это делается в компрессорах звука. В итоге звук получается громким и чистым. Но как вы уже заметили для этого нужно большое напряжение. Мощность на динамик нужно подавать больше. У меня в итоге питание 4S аккумуляторов маловато — нужно 5S. Но переделывать я уже не стал. Играет отлично, колонкой доволен.

Это только одна из функций этой микросхемы, читайте datasheet, подписывайтесь на блог, следите за сайтом. Скоро такую колонку вы сможете сделать себе самостоятельно!