Ontwerp van een geïntegreerde versterker rond TPA3255

[marter544]

Dag allen,

Nadat ik vorig weekend mijn eerste set speakers heb afgerond (Overnight Sensations, ontwerp van de internets):

Ben ik van de week begonnen met het ontwerpen van een bijpassende versterker, ik heb hier geen haast mee, dus het kan even duren. Op termijn wil ik er een kleine sub bij maken, dus het wordt een 2.1 versterker. 2x 25W + 1x50W RMS. De versterker zelf is een TPA3244. Deze kan meer vermogen leveren, maar dan gaat de THD hard omhoog. Ik maak gebruik van post filter feedback, oftewel terugkoppeling na het LC-filter naar de ingang van de versterker. Bij een uitgaand vermogen van 25W per kant, komt de eindtrap ver onder de 0.01% THD (rond de 0.003% in theorie, of dat nuttig is laat ik in het midden ).

Verdere eisen:
- Een goed, instelbaar loudness filter, omdat ik toch vaak op lage volumes luister. Dit bestaat uit een actief 1e orde laag doorlaat filter, en een passief band stop filter. De curve komt mooi overéén met de equal-loudness contour van wikipedia.. Deze wordt vervolgens gemixt met het origineel signaal dmv. een summing amp.
- Simpele 2 band EQ. Laag en hoog zijn beide 1e orde shelf filters.
- Instelbaar low-pass filter voor de sub. Dit bestaat uit een instelbaar 2e orde filter (50-200 Hz instelbaar), met daarachter nog een vast 2e orde filter met een wat "hardere" knie, afgestemd op 200 Hz.
- 2 analoge ingangen, voor de televisie en een CD speler. Hiervoor moeten de componenten en schema's nog getekend worden.
- Bluetooth streaming. Ook dit moet nog getekend worden. Als iemand een tip heeft voor een goede module met een I²S uitgang, houd ik me aanbevolen. Bij voorkeur ééntje die SMD gesoldeerd kan worden. Voor de DAC ga ik denk ik een PCM5242 gebruiken.

Alle opamps zijn LM4562, lijkt een goede opamp voor een goede prijs. Totale SNR van de preamps voor links en rechts komt theoretisch op 101 dB. Voor de sub is dit 100 dB.

Voor de voeding gebruik ik een Meanwell boxed 24V PSU. Op het board wordt daarvan 15V (switcher) 12V, 6V, en 3.3V (LDOs) gemaakt.

Vooruitgangen zullen hier bijgehouden worden.

[Shadow]

Leuk project!

En ja die 0,003% is belangrijk, dat namelijk erg fijn luisteren

[Barry2001]

Goed bezig Martijn

[marter544]

In de bijlage de toonregeling:



Commentaren zijn welkom! Ik ben nog aan het twijfelen om de pot van de loudness te delen met die van de volume (met een 4 voudige pot), nadeel is alleen dat volume logaritmisch moet zijn, en loudness linear. Met een extra schakelaar zou de loudness dan in te schakelen zijn, en automatisch aangepast worden aan het volume. Wat betreft de bluetooth, dat is de BM64 van Microchip geworden. Hier zit een 20-bit, 48 kHz DAC ingebouwd, dat scheelt weer een stukje complexiteit. De PCM5242 gaat toch 32 bit, maar ik betwijfel of je het verschil gaat horen. Misschien als DNP in het schema.

Voor het wisselen van ingang heb ik besloten gewoon een rotary switch te gebruiken, wel zo makkelijk. Een analoge mux is sjieker, maar ook een stuk meer werk.. Misschien wordt de volgende wel aangestuurd door een arduino ipv potmeters en schakelaars.

[marter544]

Het schema is grotendeels klaar, voor de geïnteresseerden is ie te vinden in de bijlage. Vragen en/of opmerkingen zijn welkom! Er moeten nog twee dingen bij komen, een ON/OFF led indicator en een EQ bypass switch. Volgende stappen nog een paar missende footprints invullen, een behuizing kiezen, layouten, knoppen en binding posts kiezen en nog wel een paar dingen.

[Henkjan]

tempo zit er lekker in

[MarcelvdG]

Sommige ingangen van op-amps in deze schakeling hebben alleen een pad via de loper van een potmeter. Als de loper dan even het contact met de weerstandsbaan verliest, krijg je geen zacht kraakje maar een enorme kraak. Dat valt op te lossen met een hoge weerstand erbij die ervoor zorgt dat de gelijkspanning ongeveer op de goede waarde blijft als de loper geen contact maakt.

Koolpotmeters hebben daarnaast het probleem dat de loper langzaamaan geanodiseerd wordt als er een gelijkstroom uit de loper getrokken wordt (met een stroom de loper in heb je dat niet). Ik zou dus zeker geen koolpotmeters gebruiken met deze schakeling.

[marter544]

@Marcel, bedankt voor de tip! Dit ga ik aanpassen.

[marter544]

Omdat de juiste, betaalbare draadgewonden weerstand nogal prijzig is, heb ik de schakeling aangepast zodat er enkel AC door de potmeter loopt. Er zitten nu wel serieweerstanden bij de pots. Tevens heb ik de eerste trap aangepast naar een niet-inverterende versterker ivm de signaal/ruis verhouding.

Voor de meelezenden en die zich hier de logica van afvragen: een inverterende versterker heeft de volgende gain en noise gain:

A= Rf / Rin, Anoise = 1 + Rf/Rin

Bij een niet inverterende versterker zijn de gain en de noisegain gelijk. Dat maakt een wezenlijk verschil (3 dB in SNR).

[marter544]

Kleine update: de PCB boer vraagt significant meer geld voor stuffed via's, voor via in pad. De TPA3244 wordt daarom een TPA3245. Deze heeft namelijk de thermal pad boven op de package zitten, waar dan een heatsink op geplaatst wordt. Zo kom ik weg zonder via in pad, kleine bijzaak is dat ie bijna een keer zoveel vermogen heeft . Voor nu zal ie niet meer vermogen gaan leveren, maar mocht ik het ooit willen is het een kwestie van een andere voeding en 2 weerstandjes wisselen. Tevens is het layouten begonnen, het schema zit weer in de bijlage (opmerkingen en/of vragen zijn nog steeds welkom).

[motoindo]

De TPA3244 wordt daarom een TPA3245

Waarom geen tpa3255 ?

[floeper]

Leuk project, ik heb dan wel de prefab tpa3255 bordjes van TI, maar iets bijleren over deze chips kan geen kwaad
Ik blijf het volgen!

[MarcelvdG]

Omdat de juiste, betaalbare draadgewonden weerstand nogal prijzig is, heb ik de schakeling aangepast zodat er enkel AC door de potmeter loopt. Er zitten nu wel serieweerstanden bij de pots.

Volgens mij loopt de instelstroom van de ingang van de op-amp nog steeds door de loper van de potmeter, wat voor zover ik weet geen probleem hoeft te zijn met cermetpotmeters of potmeters met geleidend plastic, alleen met koolpotmeters als de richting van de stroom van de loper naar de op-amp is.

Wat het kraken bij tijdelijk geen contact makende loper betreft: als je het instelpunt ongeveer normaal wilt houden wanneer de loper tijdelijk geen contact maakt, kun je dat voor elkaar krijgen met weerstanden parallel aan de potmeter met een waarde veel groter dan de waarde van de potmeter, maar ook weer niet zo groot dat de instelstroom van de op-amp er veel spanningsval over veroorzaakt. Met een LM4562 en weerstanden van 1 Mohm heb je het bijvoorbeeld over een spanningssprong van nominaal 10 mV, maximaal 72 mV, dus klein vergeleken met een lijnsignaal. Zoiets dus

met R635 = R637 = 1 Mohm.

[marter544]

@Marcel,goh, die configuratie is een stuk logischer, bedankt. Soms heb je even een brainfart. Wat betreft de potmeters ga ik nog even zoeken. Voor volume zit er nu een alps RK271 op, om dat bij alle pots te doen maakt het geheel een beetje duur.

@Motoindo, goede vraag. Ik heb de TPA3255 over het hoofd gezien. Ze zijn pin-to-pin compatible dus dat zou altijd nog kunnen, indien ik wat meer capaciteit plaats.

EDIT: TPA3245->TPA3255, met 2200 uF per PVDD bank. Als ik nog een beetje ruimte over houd op het pcb (wat ik betwijfel), komt er nog wat bij.

Vanochtend componenten geplaatst. In rood: voeding, in blauw: versterker, in wit: ingangen, toonregeling, in geel: BT. De ingang aan de rechter kant, langs de amp is niet optimaal. Het wordt een 4 laags print, en ik denk dat ik het met een doorgedachte layout wel vrij van overspraak krijg. Andere optie is de connectoren naar beneden plaatsen, maar dat is ook niet echt sjiek (zowel kwa aangezicht als EMI).

[marter544]

De layout is af:

In totaal 4 lagen, top en bottom voor routing, in 1 is volledig GND, in 2 is voeding. De lege ruimte op top en bottom is ook gevuld met ground. De plaatsing is nog wat anders geworden als hierboven ivm redenen. Nog één keer het schema en de layout goed controleren en dan is het klaar om te bestellen. Als iemand interesse heeft in kaal PCB, ik bestel er meer dan ik nodig heb! De versterker chip is uiteindelijk een TPA3255 geworden. Met PFFB zou de THD+N bij 1 kHz er ongeveer zo uit moeten zijn:

Sub:
0.003% @ 1W
0.001% @ 30W
0.0015% @ 100W

L+R:
0.003% @ 0.5W
0.001% @ 15W
0.0015% @ 50W

Dit is natuurlijk zonder de (omzeilbare) toonregeling.

Het schema zoals het er nu op zit is weer te vinden in de bijlage.

[Barry2001]

Ik zie geen rare dingen Martijn, ziet er goed uit. Misschien nog een layer ladder toevoegen, en je zou je silk nog even na kunnen lopen, staat hier en daar niet goed. Ik weet niet wanneer je wil bestellen, wil nog wel even wat footprints nalopen als je dat op prijs stelt. Maar nogmaals complimenten, leuk ding geworden zo!

[marter544]

Bedankt! Ik hoop deze week te bestellen, silk moet ik opnieuw doen, heb het voorversterker gedeelte nog wat aangepast (compacter en netter gemaakt):

Het printje is nu 147 bij 150 mm, mooi compact lijkt me. Ook elektrisch is er nog wat gewijzigd, alle 12V aansluitingen van de TPA3255 zitten nu op een eigen net 12V net, via een ferriet op de rest van de 12V (waar o.a. de opamps mee gevoed worden). Aan beide zijden een 100uF elco, voor de mooi schone stroom! Die constructie ziet er dan zo uit:

[marter544]

Kleine update: board is inmiddels besteld bij JLCPCB. Zij monteren ook het gros van de SMD onderdelen, bij de onderdelen die ze hebben is dat goedkoper dan bestellen bij mouser/digikey

[Henkjan]

stoer hoor, zo zonder prototype meteen bestellen

[marter544]

Al dat kleine SMD grut laat makkelijk prototypen niet echt toe. De opamp schakelingen zouden wel op gatenprintjes kunnen, maar LTspice is veel makkelijker

[Barry2001]

Nice! en nu....geduld...…….

[Henkjan]

jaja, verkeerde merk voor bij jullie

[marter544]

Vandaag nog net op tijd de bestelling geannuleerd: er zat een foutje in de gerbers. Wat blijkt, op het moment dat je een footprint ververst in layout, reset ie de lokale overrides wat betreft thermal reliefs. Nu zaten de pootjes van de versterker met hele lullige dunne spoortjes aan de powerplanes: das niet heel handig. Tip voor mensen die met Kicad werken: loop alle thermals na wanneer je footprints update.

[marter544]

Ondanks de corona crisis, is onderstaande in minder dan twee weken geleverd:

Kwaliteit lijkt goed! Voor de geïnteresseerde, er is er nog één beschikbaar. Losse print, met de SMD componenten die er op de foto al op zitten, kost 40 euro. Er moet dan nog voor ongeveer 150 euro aan componenten (de spoelen, de versterker zelf, Bluetooth module, condensatoren, connectoren, opamps etc.) op gesoldeerd worden, voor een geoefende soldeerder goed te doen.

[marter544]

De levering van de componenten liet even op zich wachten, maar maandag komt het eindelijk binnen. Ik had dit op mijn werk onder de microscoop willen solderen, maar ivm de huidige situatie gaat dat logischerwijs niet. Nu had de elektronica zaak in Hengelo dit hippe ding voor een kleine prijs:

Het lijkt goed te werken, kunnen we maandag mooi aan de hobby.