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Philips TDA1516

TDA1516

Der Philips TDA1516 ist ein für den KFZ-Bereich optimierter Audio-Verstärker im SIL-Package. Als Betriebsspannungsbereich gibt das Datenblatt 6V bis 18V an, kurzzeitig sind bis zu 45V zulässig. Bestenfalls kann der Baustein zweimal 12W liefern (2Ω, 10% THD, 14,4V). Alternativ ist ein Brückenbetrieb mit 24W möglich.

 

TDA1516 Blockschaltbild

Der TDA1516 enthält zwei Verstärker. Will man diese einzeln nutzen, so müssen die Lautsprecher auf Grund der einfachen Spannungsversorgung mit Koppelkondensatoren angebunden werden. Um die volle Ausgangsleistung erreichen zu können, sind dann 2Ω-Lautsprecher einzusetzen. Auch die Eingangssignale müssen über Kondensatoren entkoppelt werden. Der TDA1516 besitzt ein internes Referenzpotential, das er als Bezugspotential für die Eingänge der Verstärker nutzt.

Das Package bietet mehrere Versorgungs-Anschlüsse. Das Versorgungspotential wird über den Pin 10 zu den Endstufen und den restlichen Schaltungsteilen geführt. Die Pins 6 und 8 sind im Schaltbild ebenfalls an das Versorgungspotential angeschlossen. Es handelt sich dabei aber nicht um die Zuleitungen der Endstufen, sondern um die Versorgung der vorgelagerten Treibertransistoren. Über diese Pins kann eine Bootstrap-Versorgung aufgebaut werden. Laut Datenblatt sind die maximal angegebenen 24W nur zu erreichen, wenn die Pins 6 und 8 jeweils über einen 47µF-Bootstrap-Kondensator an die Pins 5 und 9 angebunden werden. Anderenfalls beträgt die Ausgangsleistung 22W. Der Pin 11 liefert lediglich das Aktivierungssignal für den TDA1516. Neben einem Power-GND-Anschluss steht ein Signal-GND-Anschluss zur Verfügung. Das interne Hilfspotential, das am Pin 12 anliegt, wird extern über einen 100µF-Kondensator gepuffert.

 

TDA1516 Blockschaltbild

Sinnvoller ist es den TDA1516 in Brückenschaltung zu verwenden. Dabei kann auf die Koppelkondensatoren verzichtet und ein gängigerer 4Ω-Lautsprecher eingesetzt werden.

 

TDA1510 Blockschaltbild

Das Datenblatt des TDA1516 erwähnt den Bootstrap-Betrieb lediglich in einer Fußnote zur maximalen Ausgangsleistung. Demnach wären dafür nur zwei 47µF-Kondensatoren notwendig. Im Datenblatt des ähnlichen TDA1510 ist die Bootstrap-Applikation dargestellt. Dort sind dafür ebenfalls lediglich zwei Kondensatoren abgebildet. Die für eine Bootstrap-Schaltung notwendigen Dioden müssen innerhalb des Verstärkers integriert sein.

Die Bootstrap-Schaltung sorgt dafür, dass den Treibertransistoren eine Spannung zur Verfügung steht, die höher ist als die Versorgungsspannung. So kann die Endstufe weiter ausgesteuert werden und es wird ein größerer Bereich der verhältnismäßig niedrigen Versorgungsspannung ausgenutzt. Die höhere Spannung ergibt sich, dabei folgendermaßen: Das Bezugspotential des Bootstrap-Kondensators ist das Ausgangspotential des Verstärkers. Während eines Low-Pegels am Ausgang wird der Kondensator über eine Diode auf das Versorgungspotential aufgeladen. Erhöht sich dann das Ausgangspotential, so hebt sich auch das Bezugspotential des Kondensators und er kann kurzzeitig eine höhere Spannung liefern.

 

TDA1516 Blockschaltbild

Das Datenblatt enthält auch ein etwas detaillierteres Blockschaltbild. Dort ist zu erkennen, dass die interne Hilfsspannung aus einem 2x15kΩ-Spannungsteiler gewonnen wird. Das Potential dient dazu eine Einschaltverzögerung darzustellen. Wird der TDA1516 über den Pin 11 aktiviert, so schaltet ein Komparator die Bootstrap-Schalter in den Endstufen und den Standby-Schalter, der eine Hilfsschaltung im vorderen Teil des Verstärkers versorgt. In der Folge lädt sich der am Kondensator am Pin 12 über den 15kΩ-Widerstand des Spannungsteilers auf, bis schließlich der Mute-Switch aktiviert wird, der den Eingangsverstärker versorgt.

Die Einschaltverzögerung soll Einschaltgeräusche unterdrücken. Am Eingang jeder Verstärkerstufe befinden sich zwei Verstärker. Während der eine Verstärker das Eingangssignal verarbeitet und verzögert zugeschaltet wird, realisiert der zweite Verstärker eine langsame Vorladung des folgenden Verstärkerstufen und vor allem des Ausgangs. Durch die Rückkopplung vom Ausgang des TDA1516 stellt der Hilfsverstärker dort die halbe Versorgungsspannung ein. Die halbe Versorgungsspannung ist der Arbeitspunkt der Endstufe, solange sie nicht ausgesteuert wird. Der eigentliche Eingangsverstärker gibt ohne Eingangssignal höchstwahrscheinlich auch die halbe Versorgungsspannung aus. Wenn der eigentliche Eingangsverstärker aktiviert wird, treten keine größeren Ausregelvorgänge mehr auf, die zu den bekannten Einschaltgeräuschen führen könnten.

 Interessant ist, dass im Schaltplan der Brückenschaltung auf einen großen, externen Kondensator am Pin 12 und damit auf eine Einschaltverzögerung verzichtet wurde. Bei der Nutzung großer Koppelkondensatoren ist der Einschaltvorgang kritischer, allerdings treten auch in einer Brückenschaltung, ohne derartige Koppelkondensatoren, Einschwingvorgänge auf, die zu Geräuschen führen. Auf Grund der Bauteilwerte kann man ausschließen, dass ein interner Kondensator eine relevante Minimal-Einschaltverzögerung darstellen kann. Selbst mit einer Kapazität von 500pF, die einen enormen Flächenbedarf hätte, käme man nur auf eine Zeitkonstante von 7,5µs, was kaum ausreichen dürfte, um Einschaltgeräusche sicher ausschließen zu können.

Ein weiterer interessanter Punkt ist ein Zusatz zur Bootstrap-Verschaltung. Laut Datenblatt muss im Bootstrap-Betrieb der Pin 12 zusätzlich über einen 100kΩ-Widerstand mit dem Versorgungspotential verbunden werden. Das führt dazu, dass sich das Ruhepotential, auf das die Endstufen vorgeladen werden, etwas niedriger einstellt. Statt einer Spannung von 0,5*Vp ergibt sich am Eingang des Hilfsverstärkers eine Spannung von 0,54*Vp. Der Spannungsverstärker invertiert diesen Wert üblicherweise auf eine Spannung von 0,46*Vp, die sich dann auch am Ausgang einstellt. Ohne die harte Anbindung der Treiber an das Versorgungspotential über die Pins 6 und 8 erfolgt die Versorgung über die integrierte Bootstrap-Dioden. Der damit einhergehende Spannungsabfall verschiebt wahrscheinlich das Ruhepotential am Ausgang genau auf den nun angepassten Vorladewert des Hilfsverstärkers.

Auf den Eingangsverstärker folgt die Spannungsverstärkerstufe mit dem Miller-Kondensator und letztlich die Push-Pull-Endstufe. Fraglich bleibt, warum im Bootstrap-Pfad ein Schalter integriert werden musste. Da die Schaltung nicht vollständig dargestellt ist, kann man nicht sicher sein was hier genau geschaltet wird. Es könnte sich um das interne Versorgungspotential handeln, das entweder die Treiberstufe direkt versorgt oder den Bootstrap-Kondensator lädt. Wahrscheinlich musste dieser Pfad abgeschaltet werden, um den Ruhestrom von 100µA einhalten zu können.

 

TDA1516 Die Beschichtung

Das Die ist mit einer zusätzlichen Schutzschicht überzogen, die vermutlich aus Polyimid besteht und beim Freilegen höhere Temperaturen notwendig macht.

 

TDA1516 Die

Die Schaltung nimmt eine Fläche von 3,1mm x 2,5mm ein.

 

TDA1516 Die Detail

Es kamen zwei Metalllagen zum Einsatz. Das Design trägt anscheinend die Bezeichnung N4712B und wurde von Philips entwickelt.

 

TDA1516 Die

Es ist klar zu erkennen, dass sich im rechten Bereich des Dies die zwei Endstufen befinden. Die Ausgänge sind mit jeweils zwei Bonddrähten angebunden. Außerdem besitzt jede Endstufe einen eigenen Vp-Kontakt und eine Anbindung an das Power-GND-Potential. Das Datenblatt gibt für jede Endstufe einen maximalen Strom von 4A an.

Der linke Bereich enthält die kleineren Strukturen der Ansteuerung. Die vier Kondensatorflächen an der oberen und der unteren Kante stellen mit Sicherheit Kompensationskondensatoren zur Bandbreitenbegrenzung dar.

Im oberen Bereich findet sich ein Testpunkt, dessen Funktion sich aber nicht erschließen lässt.

 

TDA1516 Die Output

Die großen Elemente der Endstufen lassen sich gut zuordnen. Jede Endstufe besteht aus einem Lowside-Transistor (blau) und einem Highside-Transistor (rot). Auch die Treibertransistoren sind gut zu erkennen. Während für den Lowside-Transistor ein npn-Transistor eingesetzt werden konnte, der relativ klein ist (lila), musste man im Highside-Pfad auf pnp-Transistoren zurückgreifen (gelb). Wie auch beim LA4102 und beim A210 deutlich zu sehen war, benötigt ein pnp-Treibertransistor auf Grund seiner schlechteren Eigenschaften eine sehr viel größere Flächen. Die Sziklai-Verschaltung aus pnp-Treiber und npn-Endstufe verursacht dafür nur einen kleinen Spannungsabfall, was bei einer niedrigen Versorgungsspannung sehr vorteilhaft ist.

 

TDA1516 Die Output

In den Endstufen sind die einzelnen Transistoren gut zu erkennen, die sich als vertikale Streifen durch die Metalllage abbilden. Die Streifen werden im unteren Bereich an einer anderen Stelle kontaktiert als im oberen Bereich. Es handelt sich hier um die Kollektor- und die Emitterkontakte. Das Bootstrap-Potential nimmt einen überraschend geschwungenen Weg durch die Endstufentransistoren zum Treibertransistor.

 

TDA1516 Die Output

Wie weiter oben beschrieben, muss die Treiberstufe über eine Diode mit dem Versorgungspotential verbunden sein, damit die Bootstrap-Verschaltung funktioniert. Die Mehrzahl der runden Strukturen arbeitet anscheinend als pnp-Treibertransistoren. Die zwei in der oberen linken Ecke etwas abgesetzten runden Elemente könnten die Bootstrap-Dioden sein.

 

TDA1516 Die Output

TDA1516 Die Output

An der oberen und der unteren Kante der beiden Endstufentransistoren sind jeweils zehn Basis-Widerstände integriert, die den Steuerstrom auf die jeweils zehn Transistorstreifen verteilen.

 

TDA1516 Die Input

In den Eingangsstufen sind gewisse Symmetrien erkennbar, was wenig überraschend ist.

 

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