LM4702高保真音頻放大器的設(shè)計原理 - 全文

　　LM4702是為對音質(zhì)有高要求且需求大功率輸出的消費者應(yīng)用而設(shè)計的。放大器的輸出功率大小可根據(jù)供給電壓和輸出設(shè)備數(shù)量的變化進行調(diào)整。采用LM4702設(shè)計的音頻放大器每個聲道能夠在8Ω負載上輸出超過300W 的功率。

　　LM4702內(nèi)含有過熱保護電路，當(dāng)溫度超過150℃時它會停止工作。另外，LM4702有靜音功能，啟用后會減弱輸入驅(qū)動信號，并使放大器輸出變?yōu)殪o音狀態(tài)。

　　一、功能特性

　　LM4702共有3個等級，在應(yīng)用程序和性能水平方面跨越了很大的范圍。LM4702C針對高音質(zhì)、大功率的應(yīng)用;LM4702B(已有樣品)可應(yīng)用更高的工作電壓;LM4702A (正在試驗中)定位為最高端的應(yīng)用，有著最高的工作電壓。這3個等級都擁有超寬的工作電壓，其中LM4702A為±20～±100V，LM4702B為±20～±100V，LM4702C為±20～±75V。其等效噪聲為3uV，PSRR為110dB，THD為0.001% 。除此之外，LM4702還擁有一些優(yōu)異的特性，如輸出功率可調(diào)節(jié)、外接元件少、外接補償、熱保護和靜音等。它們可廣泛用于汽車音響、AV家庭影院、Hi-Fi音響、舞臺音響和工業(yè)控制等。

　　圖1為LM4702的外觀和引腳，圖2為LM4702的典型應(yīng)用電路。圖3為其THD+N與輸出功率圖。

　　圖3 THD+N與輸出功率圖

　　(RL=8Ω，VSupply=±50VDc)

　　1.靜音功能

　　LM4702的靜音功能由流入靜音引腳的電流流量來控制。如果流入靜音引腳的電流小于1mA，芯片處于靜音狀態(tài)。這可以通過短路到地或懸空靜音引腳來實現(xiàn)。如果流入靜音引腳的電流在1～2mA，芯片將處于播放模式。這可以通過電阻(Rm)將電源連接到靜音引腳(Vmute)來實現(xiàn)。流入靜音引腳的電流可以由公式

　　Imute=(Vmute-2.9)/Rm 來計算。例如，如果5V的電源通過1.4kΩ的電阻連接到靜音引腳上，那么靜音電流將為.5mA，在指定范圍中。同樣可以使用Vcc為靜音腳供電，此時Rm需要相應(yīng)地重新計算。目前不推薦使用流入靜音引腳的電流大于2mA，因為這樣LM4702可能會受到損壞。

　　強烈推薦在靜音與播放模式之間迅速轉(zhuǎn)換這個功能，它可通過撥動開關(guān)實現(xiàn)，撥動開關(guān)一邊連接到靜音引腳，另一邊通過電阻連接到地或電源上。緩慢增加靜音電流可能會導(dǎo)致直流電壓產(chǎn)生在LM4702的輸出上，致使喇叭損壞。

　　2.熱保護

　　LM4702有完整的熱保護系統(tǒng)來防止系統(tǒng)長時間工作所帶來的熱壓。當(dāng)芯片內(nèi)部的溫度超過150℃的時候，LM4702自動關(guān)閉，當(dāng)芯片內(nèi)部的溫度降低到145℃時又開始工作，如果溫度繼續(xù)升高到150℃，芯片又繼續(xù)關(guān)閉。因此，如果發(fā)生短暫故障，芯片允許發(fā)熱到一定的高溫，但如果是持續(xù)的故障，就有可能導(dǎo)致它工作在一個145℃ ～150℃的熱開合工況下。這樣一來，通過循環(huán)極大地減輕了芯片的熱壓力，從而大大改善了持續(xù)故障情況下的可靠性。因為晶圓溫度與散熱器的溫度直接相關(guān)，所以散熱器必須經(jīng)過選擇，以保證在正常狀態(tài)下過熱開關(guān)不會觸發(fā)。如使用成本和空間所允許的最好散熱器，則可以保證任何半導(dǎo)體設(shè)備長時間穩(wěn)定地工作。

　　3.功耗和散熱

　　在播放模式時，它的工作電流是常量，與輸入信號幅度無關(guān)。因此，功耗對于給定的電壓是一定的，可以用公式PDMAX=Icc×(Vcc-Vee)來表示。對PDMAX的一個快速計算方法是：在電流約為25mA的時候，用整個電壓與它相乘即可(電流在工作范圍內(nèi)會有微小的變化)。

　　對高功率放大器的散熱器進行選擇完全是為了將晶圓的溫度保持在一定的水平上，以保證在一定的水平上熱保護系統(tǒng)不被觸發(fā)。晶圓與外界空氣間的熱阻θJA(Junction to Ambient)與環(huán)境相關(guān)，它由3個熱阻組成，分別為θJC(晶圓到封裝外殼)、θCS(封裝外殼到散熱片)、θSA(散熱片到環(huán)境)。θJC在LM4702中為0.8℃/W。使用耐熱合金后，θCS大約為0.2 ℃/W。因為熱流(功耗)類似于電流流動，所以熱阻就像電阻，溫度的降低就像電壓下降。LM4702的功耗也可表示為

　　PDMAX=(TJMAx-TAMB)/θJA

　　當(dāng)TJMAx=150℃時，TAMB是系統(tǒng)的環(huán)境溫度，且θJA=θJC +θCS+ θSA散熱片的最大熱阻θSA為

　　θSA=[(TJMAX-TAMB)-PDMA×(θJC+θCS)]/PDMAX

　　再次說明，θSA的數(shù)值與系統(tǒng)設(shè)計師對放大器的要求有關(guān)。如果放大器的環(huán)境溫度高于25℃，那么在其他條件不變的情況下散熱器的熱阻需要更小一些。

　　4.外部器件的恰當(dāng)選擇

　　為了滿足應(yīng)用的設(shè)計要求，應(yīng)對外部器件進行恰當(dāng)?shù)倪x擇。下面就來談?wù)勍鈬骷?shù)值的選擇將影響增益和低頻響應(yīng)。每個非反向放大器的增益都是由電阻Rf和Ri決定的，如圖2所示。放大器的增益可表示為

　　Av=1+Rf/Ri

　　為了獲得最好的信噪比表現(xiàn)，可以使用更低的電阻值。Ri通常采用1kΩ，然后再根據(jù)設(shè)計的放大倍數(shù)來確定Rf的值。對于LM4702，放大倍數(shù)必須不小于26dB，如果小于26dB將是不穩(wěn)定的。Ri與Ci串聯(lián)(如圖2所示)構(gòu)成了一個高通濾波器，低頻響應(yīng)就由這兩個元件來決定。這個-3dB的頻率點可以由下式來得到

　　fi=1/(2πRiCi)

　　如果一個輸入耦合電容被用來阻斷來自輸入的直流，那里將會產(chǎn)生一個高通濾波器(CIN與RIN的結(jié)合)。當(dāng)使用輸入耦合電容時，必須用RIN來設(shè)置放大器輸入端的直流偏置點。CIN與RIN結(jié)合后產(chǎn)生的-3dB頻率響應(yīng)可以由下式來表示

　　fIN=1/(2πRINCIN)

　　當(dāng)輸入端懸空時，在輸出端有可能會觀測到RIN值的大幅變化。減小RIN的值或輸入平穩(wěn)就可以使這種變動消失。在RIN減小的時候，CIN應(yīng)該相應(yīng)加大以保證-3dB的頻率響應(yīng)不變。

　　5.用作雙極性輸出時避免熱失控

　　當(dāng)對LM4702使用雙極性晶體管作輸出級的時候(如圖2所示)，設(shè)計者必須注意熱失控的問題。熱失控是由于對Vbe(晶體管的固有性質(zhì))的溫度依賴所造成的。當(dāng)溫度上升時，Vbe下降。實際上，電流流過雙極性晶體管的時候加熱了晶體管，但又降低了Vbe，這又反過來增加了電流強度，并且開始循環(huán)這個過程。如果系統(tǒng)沒有恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計，這種正反饋機制將會毀壞輸出級的雙極性晶體管。第一種推薦方法是在雙極性輸出晶體管上使用散熱器來避免熱失控，這將使晶體管的溫度降低。

　　第二種推薦方法是使用發(fā)射極負反饋電阻(Emitter DegenerationResistor，圖2中的Re1、Re2、Re3、Re4)。當(dāng)電流增加的時候，發(fā)射極負反饋電阻的電壓也在增加，這樣便可減小基極與發(fā)射極之間的電壓。這種機制可以幫助限制電流，并中和熱失控。

　　第三種推薦的方法是使用一種“Vbe乘法器”來鉗位雙極性輸出級，如圖2所示。這種Vbe乘法器包括了一個雙極性晶體管(Qmult,如圖2所示)和兩個電阻，一個從基極到集電極(圖2中的Rb2和Rb4)，另一個從基極到發(fā)射極(圖2中的Rb1和Rb3)。從集電極到發(fā)射極的電壓(同時也是輸出級的偏置電壓)Vbias=Vbe(1+Rb2/Rb1)，這也就是為什么這個循環(huán)叫做Vbe乘法器的原因。當(dāng)Vbe乘法器晶體管Qmult像雙極性輸出晶體管一樣連接散熱器時，它的溫度將與輸出晶體管的溫度同步。它的Vbe也與溫度有關(guān)，所以當(dāng)輸出晶體管使它變熱時，它將吸收更多的電流。這將限制基極進入輸出晶體管的電流，從而中和熱失控。

　　表1為LM4702 C工作電壓在±75V 和±50V時的電氣特性。表2為LM4702A、B工作電壓在±100V時的電氣特性。

　　表1 LM4702C的電氣特性

　　(Imute=1.5mA，除非特別說明，否則TA=25℃)