LM4890功放電路的分析

　　一、電路圖

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/282850.htm

　　先發個圖來看看，這個圖是LM4890在MPN中常用到的電路。

　　

 

　　二、LM48920介紹

　　1、大概描述

　　LM4890 是一款主要為行動電話和其他可攜式通信設備中的應用而設計的音頻功率放大器。在5V 直流供電下，它可以將1W 的功率連續平均功率輸出到8Ω 的BTL(什麼是BTL呢?) 負載上，且總的諧波失真小於1%。Boomer 音頻功率放大器是為使用儘可能小的外部組件來提供高質量的輸出功率而專門設計的。LM4890 不需要外部的耦合電容或者自舉電容，所以非常適用行動電話和其他低壓應用，這些應用中的主要要求是功耗儘可能小。

　　LM4890 的主要特徵是關斷模式下功耗低。當關斷引腳的電平為低時即可進入關斷模式。另外，LM4890

　　還有一個特徵是內部的熱關斷保護機制。

　　LM4890 包含一個特殊電路用來消除從開啟到關斷轉換時產生的噪音。

　　LM4890 的單位增益是穩定的，它可以通過設置外部的增益電阻來配置。

　　註：BTL，(Bridge-Tied-load)意為橋接式負載。負載的兩端分別接在兩個放大器的輸出端。其中一個放大器的輸出是另外一個放大器的鏡像輸出，也就是說加在負載兩端的信號僅在相位上相差180°。負載上將得到原來單端輸出的2倍電壓。從理論上來講電路的輸出功率將增加4倍。BTL電路能充分利用系統電壓，因此BTL結構常應用於低電壓系統或電池供電系統中。在汽車音響中當每聲道功率超過10w時，大多採用BTL形式。BTL形式不同於推挽形式，BTL的每一個放大器放大的信號都是完整的信號，只是兩個放大器的輸出信號反相而已。用集成功放塊構成一個BTL放大器需要一個雙聲道或兩個單聲道的功放塊。但是並不是所有的功放塊都適用於BTL形式，BTL形式的幾種接法也各有優劣。典型的功放集成塊有TDA2030A LM1875 LM4766 LM3886 TDA1514等。

　　三、應用說明

　　1、橋式結構的例子

　　

 

　　如圖1 所示，LM4890 內部有兩個運算放大器，可以有一些不同的放大器結構。第一個放大器的增益可由外部設置，而第二個放大器的增益是內部固定的單位增益，反向結構的。第一個放大器的閉環增益由Rf 和Ri 的比值來確定，第二個放大器的增益由內部兩個10kΩ 的電阻固定。圖1 可以看出，第一個放大器的輸出作為第二個放大器的輸入，這樣使得兩個放大器的輸出在幅值上是相等的，而相位上相差180 度。因此，整個電路的差分增益為

　　AVD=2*( Rf/ Ri)

　　通過Vo1 和Vo2 來差分驅動負載這種結構叫做「橋式結構」。橋式結構的工作不同於經典的單端輸出而載的另一端接地的放大器結構。和單端結構的放大器相比，橋式結構的設計有其獨特的優點。它可以差動驅動負載，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，輸出功率是單端結構的4 倍。為了選擇放大器的閉環增益而不至於導致額外失真，請參考音頻功率放大器的設計部分。橋式結構，比如LM4890 中的應用，和單端結構相比還有另外一個優點。由於是差分輸出，Vo1 和Vo2偏置在1/2 的VDD，因此在負載上沒有直流電壓。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電容是必需的。沒有輸出耦合電容，負載上1/2VDD 的偏置可以導致集成電路內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，在設計一個成功的功放的時候，功耗是一個主要的考慮因素。橋式放大器輸出到負載上的功率增大會直接導致內部功耗的增加。由於LM4890 在內部集成了兩個運算放大器，因此最大的內部功耗是單端結構的4 倍。對於一個應用來說，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)

　　最大的結溫TJMAX 不能超過150℃。TJMAX 使用PDMAX 和PCB 面積由功耗曲線上得出。額外的銅鉑可使應用的內部電阻減小到150℃/W，從而導致高的PDMAX。額外的銅鉑可有任何連接LM4890 的導線引入。當連接VDD，GND，和輸出PIN 腳的時候這種影響尤其明顯。如過TJMAX 超過150℃就必須要有一定改變。這些改變包括減小供電電壓，高的負載阻抗，或者減小周圍的溫度。內部功耗是輸出功率的函數。請參考典型的功耗曲線來得到不同輸出功率和輸出負載下的功耗的信息。

　　(2)電源直通

　　對於任何放大器，適當的電源直通對於低噪音性能和高的電源抑制比十分關鍵。電源引腳和 bypass引腳上的電容應該儘可能地靠近器件。典型的應用都採用5V電壓和10uF 的鉭電容或電氣電容和陶瓷電容，用來穩定供電電壓。但LM4890 的電源節點的仍需要直通濾波。直通電容尤其是CB 的選擇由PSRR 的要求、毛刺和pop 性能、性能耗費和大小限制決定。

　　(3)關斷功能

　　為了在不使用時能減小功耗，LM4890 含有一個關斷引腳用來通過外部關斷放大器的偏置電流。當關斷引腳的邏輯電平為低時，放大器就被關斷。把關斷引腳連接在地線上可以使LM4890 的關斷時的漏電流達到最小。當關斷引腳的電壓小於0.5VDC 時，器件將不能工作。關斷引腳接地時的漏電流可能會比典型的關斷電流0.1uA 要大一些。

　　在許多的應用中，常用微控制器或微處理器的輸出來控制關斷電路以便於使電路快速平穩的轉換到關斷模式。另外一個方法就是使用單極單擲的開關在外部連接一個上拉電阻。當開關合上時，關斷引腳接地使得放大器不能工作。當開關斷開時，外部的上拉電阻將使得LM4890 工作。這種方案確保了關斷引腳不會懸空，因此不會導致不希望的狀態改變。

　　(4)外部組件的適當選擇

　　在集成功率放大器的應用中，適當的外部組件選擇對於優化器件和系統的性能十分關鍵。由於LM4890對於外部組件的要求很寬鬆，因此必須考慮外部元件的值使得系統的整體性能最佳。LM4890 單位增益非常穩定，這就給予設計者最大的系統靈活性。LM4890 應該使用低增益結構，這樣可使THD+N 最小而使得信噪比最大。低增益結構需要大的輸入信號來獲得一定的輸出功率。一般要求從信號源比如音頻解碼器獲得的輸入信號等於或者略大於1Vrms。請參考音頻放大器的設計部分來獲得更完整的關於適當增益選擇的解釋。

　　除增益外，放大器的另一個主要考慮因素是放大器閉環迴路的帶寬。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 組成第一級高通濾波器，它限制了低頻信號的反應。這些值的選擇應該基於特定條件下對頻率響應的要求。

　　(5)輸入電容大小的選擇

　　大的輸入電容不僅昂貴，而且對於可攜式設備的設計來說佔空間。顯然，一定大小的電容用來耦合進低頻信號而不至於使其變弱是必要的。但是在很多情況下，可攜式系統中的喇叭，不管是外置的還是內置的，幾乎都不能使頻率低於100Hz 到150Hz 的信號重生。因此使用大的輸入電容將不會提高系統的實際性能。

　　另外，系統的花銷和大小、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達到它需要的靜態電壓DC(一般是1/2VDD)。這些電荷來自輸出經由反饋而且容易產生pop 噪音。因此，在需要的低頻響應的基礎上，使輸入電容的儘可能小能使開機的pop 噪音最小。除了輸入電容要儘可能小，直通電容的大小也必須仔細考慮。直通電容CB 決定了LM4890 的開啟速度，因此它是使開啟pop 噪音最小的最關鍵組件。LM4890 的輸出信號相對於靜態電壓DC 變化越慢，開啟的噪音就越小。選擇1.0uF 的CB 和和小的Ci(0.1uF 到0.39uF)可以使關斷時無毛刺和噪音。在器件正常工作的情況下(無高頻和低頻的振蕩)，CB 為1.0uF 時，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計中，都建議使CB 為1.0uF。

　　(6)音頻功率放大器的設計

　　一個1W/8Ω 的音頻放大器

　　要求：

　　功率 1Wrms

　　負載阻抗 8Ω

　　輸入電平 1Vrms

　　輸入阻抗 20kΩ

　　帶寬 100Hz 到20kHz±0.25dB

　　一個設計者必須首先確定最小供電電壓的來獲得一定要求的輸出功率。通過推測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)和輸出電壓來計算所需的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出來的。

　　Vopeak=(2RLPO)1/2 (2)

　　在許多應用中，5V 是標準的電壓。常把它作為供電電壓。額外的供電電壓會產生大的電壓擺動餘度，從而允許高於1W 的峰值而不至於失真。此時，設計者必須確保供電電壓的選擇與輸出阻抗沒有違背功耗部分所說過的條件。一旦功耗方程確定，所需的差分增益可由方程(3)來確定。

　　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。最後的設計步驟是確定帶寬，它由兩個頻率下降3dB 的點來確定。此點頻率的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 組成一個高通濾波器。

　　Ci≥1/(2π*20kΩ*20Hz)=0.397uF;

　　我們使用0.39uF。高頻截止點由所需的高頻截止頻率fH，差分增益AVD 來確定。

　　在AVD=3，fH=100kHz 時，GBWP=150kHz，這比LM4890 的4MHz 的GBWP 要低得多。這說明，設計者要設計一個高差分增益的放大器，LM4890 仍然可以被採用而不至於使其進入帶寬限制的條件。

　　(7)更高增益的音頻放大器

　　LM4890 的單位增益非常穩定。在典型的應用中，除了增益設置電阻、輸入耦合電容和適當的電源直通濾波，它不需要其他外部組件。但是，當需要閉環增益大於10 的時候，就需要一個反饋電容C4，如圖2 所示。這個反饋電容組成一個低通濾波器來消除可能產生的高頻振蕩。在計算-3dB 頻率的時候必須注意，因為R3 和C4 不適當的組合會導致20kHz 之前rolloff。典型的不導致音頻範圍內高頻rolloff 反饋電阻和電容的組合是R3=20kΩ 和C4=25pf。這些組件使得-3dB 點大約在320kHz。在低於100kHz 時，反饋電阻和電容並不建議使用。