LM4890功放電路的分析

　　一、電路圖

　　先發(fā)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 是一款主要為移動電話和其他便攜式通信設(shè)備中的應(yīng)用而設(shè)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(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提供高質(zhì)量的輸出功率而專門設(shè)計的。LM4890 不需要外部的耦合電容或者自舉電容，所以非常適用移動電話和其他低壓應(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即可進(jìn)入關(guān)斷模式。另外，LM4890

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

　　LM4890 包含一個特殊電路用來消除從開啟到關(guān)斷轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的噪音。

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

　　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(fù)載兩端的信號僅在相位上相差180°。負(fù)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(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。在汽車音響中當(dāng)每聲道功率超過10w時，大多采用BTL形式。BTL形式不同于推挽形式，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(gòu)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)用說明

　　1、橋式結(jié)構(gòu)的例子

　　如圖1 所示，LM4890 內(nèi)部有兩個運算放大器，可以有一些不同的放大器結(jié)構(gòu)。第一個放大器的增益可由外部設(shè)置，而第二個放大器的增益是內(nèi)部固定的單位增益，反向結(jié)構(gòu)的。第一個放大器的閉環(huán)增益由Rf 和Ri 的比值來確定，第二個放大器的增益由內(nèi)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(qū)動負(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)計有其獨特的優(yōu)點。它可以差動驅(qū)動負(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，請參考音頻功率放大器的設(shè)計部分。橋式結(jié)構(gòu)，比如LM4890 中的應(yīng)用，和單端結(jié)構(gòu)相比還有另外一個優(yōu)點。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(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(fù)載上的功率增大會直接導(dǎo)致內(nèi)部功耗的增加。由于LM4890 在內(nèi)部集成了兩個運算放大器，因此最大的內(nèi)部功耗是單端結(jié)構(gòu)的4 倍。對于一個應(yīng)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(jié)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(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(fù)載阻抗，或者減小周圍的溫度。內(nèi)部功耗是輸出功率的函數(shù)。請參考典型的功耗曲線來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

　　對于任何放大器，適當(dāng)?shù)碾娫粗蓖▽τ诘驮胍粜阅芎透叩碾娫匆种票仁株P(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，用來穩(wěn)定供電電壓。但LM4890 的電源節(jié)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(guān)斷功能

　　為了在不使用時能減小功耗，LM4890 含有一個關(guān)斷引腳用來通過外部關(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，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)斷時的漏電流達(dá)到最小。當(dāng)關(guān)斷引腳的電壓小于0.5VDC 時，器件將不能工作。關(guān)斷引腳接地時的漏電流可能會比典型的關(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。另外一個方法就是使用單極單擲的開關(guān)在外部連接一個上拉電阻。當(dāng)開關(guān)合上時，關(guān)斷引腳接地使得放大器不能工作。當(dāng)開關(guān)斷開時，外部的上拉電阻將使得LM4890 工作。這種方案確保了關(guān)斷引腳不會懸空，因此不會導(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件選擇對于優(yōu)化器件和系統(tǒng)的性能十分關(guān)鍵。由于LM4890對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于或者略大于1Vrms。請參考音頻放大器的設(shè)計部分來獲得更完整的關(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 組成第一級高通濾波器，它限制了低頻信號的反應(yīng)。這些值的選擇應(yīng)該基于特定條件下對頻率響應(yīng)的要求。

　　(5)輸入電容大小的選擇

　　大的輸入電容不僅昂貴，而且對于便攜式設(shè)備的設(shè)計來說占空間。顯然，一定大小的電容用來耦合進(jìn)低頻信號而不至于使其變?nèi)跏潜匾摹５窃诤芏嗲闆r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 的信號重生。因此使用大的輸入電容將不會提高系統(tǒng)的實際性能。

　　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達(dá)到它需要的靜態(tài)電壓DC(一般是1/2VDD)。這些電荷來自輸出經(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 的開啟速度，因此它是使開啟pop 噪音最小的最關(guān)鍵組件。LM4890 的輸出信號相對于靜態(tài)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(guān)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(shè)計中，都建議使CB 為1.0uF。

　　(6)音頻功率放大器的設(shè)計

　　一個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

　　一個設(shè)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(yīng)用中，5V 是標(biāo)準(zhǔn)的電壓。常把它作為供電電壓。額外的供電電壓會產(chǎn)生大的電壓擺動余度，從而允許高于1W 的峰值而不至于失真。此時，設(shè)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。最后的設(shè)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(shè)計者要設(shè)計一個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(chǎn)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(dāng)?shù)慕M合會導(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 點大約在320kHz。在低于100kHz 時，反饋電阻和電容并不建議使用。