LM4890功放電路的分析

　　一、電路圖

　　先發(fā)個(gè)圖來(lái)看看，這個(gè)圖是LM4890在MPN中常用到的電路。

　　二、LM48920介紹

　　1、大概描述

　　LM4890 是一款主要為移動(dòng)電話和其他便攜式通信設(shè)備中的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的音頻功率放大器。在5V 直流供電下，它可以將1W 的功率連續(xù)平均功率輸出到8Ω 的BTL(什么是BTL呢?) 負(fù)載上，且總的諧波失真小于1%。Boomer 音頻功率放大器是為使用盡可能小的外部組件來(lái)提供高質(zhì)量的輸出功率而專門(mén)設(shè)計(jì)的。LM4890 不需要外部的耦合電容或者自舉電容，所以非常適用移動(dòng)電話和其他低壓應(yīng)用，這些應(yīng)用中的主要要求是功耗盡可能小。

　　LM4890 的主要特征是關(guān)斷模式下功耗低。當(dāng)關(guān)斷引腳的電平為低時(shí)即可進(jìn)入關(guān)斷模式。另外，LM4890

　　還有一個(gè)特征是內(nèi)部的熱關(guān)斷保護(hù)機(jī)制。

　　LM4890 包含一個(gè)特殊電路用來(lái)消除從開(kāi)啟到關(guān)斷轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的噪音。

　　LM4890 的單位增益是穩(wěn)定的，它可以通過(guò)設(shè)置外部的增益電阻來(lái)配置。

　　注：BTL，(Bridge-Tied-load)意為橋接式負(fù)載。負(fù)載的兩端分別接在兩個(gè)放大器的輸出端。其中一個(gè)放大器的輸出是另外一個(gè)放大器的鏡像輸出，也就是說(shuō)加在負(fù)載兩端的信號(hào)僅在相位上相差180°。負(fù)載上將得到原來(lái)單端輸出的2倍電壓。從理論上來(lái)講電路的輸出功率將增加4倍。BTL電路能充分利用系統(tǒng)電壓，因此BTL結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于低電壓系統(tǒng)或電池供電系統(tǒng)中。在汽車(chē)音響中當(dāng)每聲道功率超過(guò)10w時(shí)，大多采用BTL形式。BTL形式不同于推挽形式，BTL的每一個(gè)放大器放大的信號(hào)都是完整的信號(hào)，只是兩個(gè)放大器的輸出信號(hào)反相而已。用集成功放塊構(gòu)成一個(gè)BTL放大器需要一個(gè)雙聲道或兩個(gè)單聲道的功放塊。但是并不是所有的功放塊都適用于BTL形式，BTL形式的幾種接法也各有優(yōu)劣。典型的功放集成塊有TDA2030A LM1875 LM4766 LM3886 TDA1514等。

　　三、應(yīng)用說(shuō)明

　　1、橋式結(jié)構(gòu)的例子

　　如圖1 所示，LM4890 內(nèi)部有兩個(gè)運(yùn)算放大器，可以有一些不同的放大器結(jié)構(gòu)。第一個(gè)放大器的增益可由外部設(shè)置，而第二個(gè)放大器的增益是內(nèi)部固定的單位增益，反向結(jié)構(gòu)的。第一個(gè)放大器的閉環(huán)增益由Rf 和Ri 的比值來(lái)確定，第二個(gè)放大器的增益由內(nèi)部?jī)蓚€(gè)10kΩ 的電阻固定。圖1 可以看出，第一個(gè)放大器的輸出作為第二個(gè)放大器的輸入，這樣使得兩個(gè)放大器的輸出在幅值上是相等的，而相位上相差180 度。因此，整個(gè)電路的差分增益為

　　AVD=2*( Rf/ Ri)

　　通過(guò)Vo1 和Vo2 來(lái)差分驅(qū)動(dòng)負(fù)載這種結(jié)構(gòu)叫做“橋式結(jié)構(gòu)”。橋式結(jié)構(gòu)的工作不同于經(jīng)典的單端輸出而載的另一端接地的放大器結(jié)構(gòu)。和單端結(jié)構(gòu)的放大器相比，橋式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它可以差動(dòng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，因此在工作電壓一定的情況下輸出電壓的擺幅可以加倍。在相同的條件下，輸出功率是單端結(jié)構(gòu)的4 倍。為了選擇放大器的閉環(huán)增益而不至于導(dǎo)致額外失真，請(qǐng)參考音頻功率放大器的設(shè)計(jì)部分。橋式結(jié)構(gòu)，比如LM4890 中的應(yīng)用，和單端結(jié)構(gòu)相比還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。由于是差分輸出，Vo1 和Vo2偏置在1/2 的VDD，因此在負(fù)載上沒(méi)有直流電壓。這樣就不需要輸出耦合電容，而在單電源供電單端輸出的放大器中這個(gè)電容是必需的。沒(méi)有輸出耦合電容，負(fù)載上1/2VDD 的偏置可以導(dǎo)致集成電路內(nèi)部的功耗和可能的響度損失。

　　(1)功耗

　　不管是橋式的還是單端的，在設(shè)計(jì)一個(gè)成功的功放的時(shí)候，功耗是一個(gè)主要的考慮因素。橋式放大器輸出到負(fù)載上的功率增大會(huì)直接導(dǎo)致內(nèi)部功耗的增加。由于LM4890 在內(nèi)部集成了兩個(gè)運(yùn)算放大器，因此最大的內(nèi)部功耗是單端結(jié)構(gòu)的4 倍。對(duì)于一個(gè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最大的功耗可由功耗曲線圖或者方程(1)得出

　　PDMAX=4*(VDD)2/(2π2RL) (1)

　　最大的結(jié)溫TJMAX 不能超過(guò)150℃。TJMAX 使用PDMAX 和PCB 面積由功耗曲線上得出。額外的銅鉑可使應(yīng)用的內(nèi)部電阻減小到150℃/W，從而導(dǎo)致高的PDMAX。額外的銅鉑可有任何連接LM4890 的導(dǎo)線引入。當(dāng)連接VDD，GND，和輸出PIN 腳的時(shí)候這種影響尤其明顯。如過(guò)TJMAX 超過(guò)150℃就必須要有一定改變。這些改變包括減小供電電壓，高的負(fù)載阻抗，或者減小周?chē)臏囟?。?nèi)部功耗是輸出功率的函數(shù)。請(qǐng)參考典型的功耗曲線來(lái)得到不同輸出功率和輸出負(fù)載下的功耗的信息。

　　(2)電源直通

　　對(duì)于任何放大器，適當(dāng)?shù)碾娫粗蓖▽?duì)于低噪音性能和高的電源抑制比十分關(guān)鍵。電源引腳和 bypass引腳上的電容應(yīng)該盡可能地靠近器件。典型的應(yīng)用都采用5V電壓和10uF 的鉭電容或電氣電容和陶瓷電容，用來(lái)穩(wěn)定供電電壓。但LM4890 的電源節(jié)點(diǎn)的仍需要直通濾波。直通電容尤其是CB 的選擇由PSRR 的要求、毛刺和pop 性能、性能耗費(fèi)和大小限制決定。

　　(3)關(guān)斷功能

　　為了在不使用時(shí)能減小功耗，LM4890 含有一個(gè)關(guān)斷引腳用來(lái)通過(guò)外部關(guān)斷放大器的偏置電流。當(dāng)關(guān)斷引腳的邏輯電平為低時(shí)，放大器就被關(guān)斷。把關(guān)斷引腳連接在地線上可以使LM4890 的關(guān)斷時(shí)的漏電流達(dá)到最小。當(dāng)關(guān)斷引腳的電壓小于0.5VDC 時(shí)，器件將不能工作。關(guān)斷引腳接地時(shí)的漏電流可能會(huì)比典型的關(guān)斷電流0.1uA 要大一些。

　　在許多的應(yīng)用中，常用微控制器或微處理器的輸出來(lái)控制關(guān)斷電路以便于使電路快速平穩(wěn)的轉(zhuǎn)換到關(guān)斷模式。另外一個(gè)方法就是使用單極單擲的開(kāi)關(guān)在外部連接一個(gè)上拉電阻。當(dāng)開(kāi)關(guān)合上時(shí)，關(guān)斷引腳接地使得放大器不能工作。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，外部的上拉電阻將使得LM4890 工作。這種方案確保了關(guān)斷引腳不會(huì)懸空，因此不會(huì)導(dǎo)致不希望的狀態(tài)改變。

　　(4)外部組件的適當(dāng)選擇

　　在集成功率放大器的應(yīng)用中，適當(dāng)?shù)耐獠拷M件選擇對(duì)于優(yōu)化器件和系統(tǒng)的性能十分關(guān)鍵。由于LM4890對(duì)于外部組件的要求很寬松，因此必須考慮外部元件的值使得系統(tǒng)的整體性能最佳。LM4890 單位增益非常穩(wěn)定，這就給予設(shè)計(jì)者最大的系統(tǒng)靈活性。LM4890 應(yīng)該使用低增益結(jié)構(gòu)，這樣可使THD+N 最小而使得信噪比最大。低增益結(jié)構(gòu)需要大的輸入信號(hào)來(lái)獲得一定的輸出功率。一般要求從信號(hào)源比如音頻解碼器獲得的輸入信號(hào)等于或者略大于1Vrms。請(qǐng)參考音頻放大器的設(shè)計(jì)部分來(lái)獲得更完整的關(guān)于適當(dāng)增益選擇的解釋。

　　除增益外，放大器的另一個(gè)主要考慮因素是放大器閉環(huán)回路的帶寬。在很多情況下，帶寬是由外部組件的選擇決定的，如圖(1)所示。輸入耦合電容Ci 組成第一級(jí)高通濾波器，它限制了低頻信號(hào)的反應(yīng)。這些值的選擇應(yīng)該基于特定條件下對(duì)頻率響應(yīng)的要求。

　　(5)輸入電容大小的選擇

　　大的輸入電容不僅昂貴，而且對(duì)于便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)占空間。顯然，一定大小的電容用來(lái)耦合進(jìn)低頻信號(hào)而不至于使其變?nèi)跏潜匾?。但是在很多情況下，便攜式系統(tǒng)中的喇叭，不管是外置的還是內(nèi)置的，幾乎都不能使頻率低于100Hz 到150Hz 的信號(hào)重生。因此使用大的輸入電容將不會(huì)提高系統(tǒng)的實(shí)際性能。

　　另外，系統(tǒng)的花銷和大小、毛刺和pop 性能也受輸入耦合電容Ci 大小的影響。大的輸入電容需要更多的電荷來(lái)達(dá)到它需要的靜態(tài)電壓DC(一般是1/2VDD)。這些電荷來(lái)自輸出經(jīng)由反饋而且容易產(chǎn)生pop 噪音。因此，在需要的低頻響應(yīng)的基礎(chǔ)上，使輸入電容的盡可能小能使開(kāi)機(jī)的pop 噪音最小。除了輸入電容要盡可能小，直通電容的大小也必須仔細(xì)考慮。直通電容CB 決定了LM4890 的開(kāi)啟速度，因此它是使開(kāi)啟pop 噪音最小的最關(guān)鍵組件。LM4890 的輸出信號(hào)相對(duì)于靜態(tài)電壓DC 變化越慢，開(kāi)啟的噪音就越小。選擇1.0uF 的CB 和和小的Ci(0.1uF 到0.39uF)可以使關(guān)斷時(shí)無(wú)毛刺和噪音。在器件正常工作的情況下(無(wú)高頻和低頻的振蕩)，CB 為1.0uF 時(shí)，器件將更容易受毛刺和pop 噪音的影響。因此，除了在非常敏感的設(shè)計(jì)中，都建議使CB 為1.0uF。

　　(6)音頻功率放大器的設(shè)計(jì)

　　一個(gè)1W/8Ω 的音頻放大器

　　要求：

　　功率 1Wrms

　　負(fù)載阻抗 8Ω

　　輸入電平 1Vrms

　　輸入阻抗 20kΩ

　　帶寬 100Hz 到20kHz±0.25dB

　　一個(gè)設(shè)計(jì)者必須首先確定最小供電電壓的來(lái)獲得一定要求的輸出功率。通過(guò)推測(cè)輸出功率與供電電壓的曲線中可以很容易找出。第二種確定的方法是利用方程(2)和輸出電壓來(lái)計(jì)算所需的Vopeak。用這種方法，最小的電壓為(Vopeak+(VODTOP+VODBOT)),其中VODTOP 和VODBOT 是從dropout 電壓和供電電壓的曲線推測(cè)出來(lái)的。

　　Vopeak=(2RLPO)1/2 (2)

　　在許多應(yīng)用中，5V 是標(biāo)準(zhǔn)的電壓。常把它作為供電電壓。額外的供電電壓會(huì)產(chǎn)生大的電壓擺動(dòng)余度，從而允許高于1W 的峰值而不至于失真。此時(shí)，設(shè)計(jì)者必須確保供電電壓的選擇與輸出阻抗沒(méi)有違背功耗部分所說(shuō)過(guò)的條件。一旦功耗方程確定，所需的差分增益可由方程(3)來(lái)確定。

　　AVD≥(PORL)1/2/(VIN)=Vorms/Vinrms (3)

　　Rf/Ri=AVD/2

　　從方程(3)，最小AVD 是2.83，我們使用AVD=3。我們期望的輸入阻抗是20kΩ，AVD=2，Rf/Ri=1.5/1，取Ri=20kΩ，Rf=30kΩ。最后的設(shè)計(jì)步驟是確定帶寬，它由兩個(gè)頻率下降3dB 的點(diǎn)來(lái)確定。此點(diǎn)頻率的5 倍處是下降0.17dB。這比要求的0.25dB 更好。

　　fL=100kHz/5=20Hz

　　fH=20kHz*5=100kHz

　　如在外部組件部分所述，Ri 和Ci 組成一個(gè)高通濾波器。

　　Ci≥1/(2π*20kΩ*20Hz)=0.397uF;

　　我們使用0.39uF。高頻截止點(diǎn)由所需的高頻截止頻率fH，差分增益AVD 來(lái)確定。

　　在AVD=3，fH=100kHz 時(shí)，GBWP=150kHz，這比LM4890 的4MHz 的GBWP 要低得多。這說(shuō)明，設(shè)計(jì)者要設(shè)計(jì)一個(gè)高差分增益的放大器，LM4890 仍然可以被采用而不至于使其進(jìn)入帶寬限制的條件。

　　(7)更高增益的音頻放大器

　　LM4890 的單位增益非常穩(wěn)定。在典型的應(yīng)用中，除了增益設(shè)置電阻、輸入耦合電容和適當(dāng)?shù)碾娫粗蓖V波，它不需要其他外部組件。但是，當(dāng)需要閉環(huán)增益大于10 的時(shí)候，就需要一個(gè)反饋電容C4，如圖2 所示。這個(gè)反饋電容組成一個(gè)低通濾波器來(lái)消除可能產(chǎn)生的高頻振蕩。在計(jì)算-3dB 頻率的時(shí)候必須注意，因?yàn)镽3 和C4 不適當(dāng)?shù)慕M合會(huì)導(dǎo)致20kHz 之前rolloff。典型的不導(dǎo)致音頻范圍內(nèi)高頻rolloff 反饋電阻和電容的組合是R3=20kΩ 和C4=25pf。這些組件使得-3dB 點(diǎn)大約在320kHz。在低于100kHz 時(shí)，反饋電阻和電容并不建議使用。