探索LM4938：高性能音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，音頻質(zhì)量是用戶體驗(yàn)的重要組成部分。無(wú)論是平板顯示器、便攜式電腦還是多媒體設(shè)備，都需要一款高性能的音頻功率放大器來(lái)提供清晰、響亮的聲音。德州儀器（TI）的LM4938 Boomer?音頻功率放大器系列，就是這樣一款能夠滿足多種應(yīng)用需求的產(chǎn)品。本文將深入探討LM4938的特點(diǎn)、性能、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，幫助電子工程師更好地理解和使用這款放大器。

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一、LM4938概述

LM4938是一款單片集成電路，提供直流音量控制和立體聲橋接音頻功率放大器。它能夠在4Ω負(fù)載下產(chǎn)生2W功率，總諧波失真加噪聲（THD+N）小于1.0%；在3Ω負(fù)載下產(chǎn)生2.2W功率，THD+N同樣小于1.0%。Boomer音頻集成電路專為提供高質(zhì)量音頻而設(shè)計(jì)，同時(shí)所需的外部組件數(shù)量最少。

特點(diǎn)

1. 改進(jìn)的咔嗒聲和爆裂聲抑制電路：幾乎消除了開(kāi)啟/關(guān)閉過(guò)渡期間的噪聲，提供更純凈的音頻輸出。
2. 直流音量控制接口：方便用戶進(jìn)行音量調(diào)節(jié)。
3. 系統(tǒng)蜂鳴聲檢測(cè)：可檢測(cè)系統(tǒng)的蜂鳴聲信號(hào)。
4. 立體聲可切換橋接/單端功率放大器：用戶可以根據(jù)需要選擇不同的放大模式。
5. 可選的內(nèi)部/外部增益和低音增強(qiáng)：提供更多的音頻調(diào)節(jié)選項(xiàng)。
6. 熱關(guān)斷保護(hù)電路：確保放大器在高溫環(huán)境下的安全運(yùn)行。
7. 單位增益穩(wěn)定：設(shè)計(jì)更加靈活。

應(yīng)用領(lǐng)域

1. 平板顯示器：為顯示器提供高質(zhì)量的音頻輸出。
2. 便攜式和臺(tái)式計(jì)算機(jī)：滿足計(jì)算機(jī)的音頻需求。
3. 多媒體顯示器：增強(qiáng)多媒體設(shè)備的音頻效果。
4. 便攜式收音機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）和便攜式電視：適用于各種便攜式設(shè)備。

二、關(guān)鍵規(guī)格

輸出功率

• 在1% THD+N時(shí)，3Ω負(fù)載下為2.2W（典型值），4Ω負(fù)載下為2.0W（典型值），8Ω負(fù)載下為1.3W（典型值）。
• 單端模式下，在32Ω負(fù)載、92mW輸出時(shí)，THD+N為1.0%（典型值）。

其他規(guī)格

• 關(guān)斷電流：0.5μA（典型值）。

三、電氣特性

整體IC特性

• 電源電壓范圍：2.7V - 5.5V。
• 靜態(tài)電源電流：在輸入電壓為0V、輸出電流為0A時(shí)，典型值為11mA，最大值為30mA。
• 關(guān)斷電流：在關(guān)斷電壓為電源電壓時(shí)，典型值為0.5μA，最大值為2.0μA。

音量衰減器特性

• 衰減器范圍：在不同條件下有不同的增益精度和衰減值。
• 靜音衰減：在橋接模式和單端模式下有不同的衰減值。

橋接模式操作特性

• 輸出偏移電壓：在輸入電壓為0V、無(wú)負(fù)載時(shí)，最大值為±50mV。
• 輸出功率：在不同負(fù)載和THD+N條件下有不同的功率輸出。
• 總諧波失真加噪聲（THD+N）：在特定條件下為0.05%。
• 電源抑制比（PSRR）：在不同條件下有不同的PSRR值。
• 信噪比（SNR）：在特定條件下為100dB。
• 通道分離度：在特定條件下為76dB。

單端模式操作特性

• 輸出功率：在特定負(fù)載和THD條件下為92mW。
• THD+N：在特定條件下為0.065%。
• PSRR：在不同條件下有不同的PSRR值。
• SNR：在特定條件下為100dB。
• 通道分離度：在特定條件下為73dB。

四、典型應(yīng)用電路

典型應(yīng)用電路展示了LM4938的基本連接方式。它包括音頻輸入、音量控制、增益選擇、靜音控制等部分。通過(guò)合理選擇外部組件，可以優(yōu)化放大器的性能。在設(shè)計(jì)應(yīng)用電路時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

1. 電源旁路：使用適當(dāng)?shù)呐月?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/電容/" target="_blank">電容來(lái)穩(wěn)定電源，減少噪聲。
2. 輸入電容選擇：根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的輸入耦合電容，以平衡成本、尺寸和性能。
3. 增益設(shè)置：根據(jù)輸入信號(hào)和負(fù)載要求，合理設(shè)置放大器的增益，以實(shí)現(xiàn)低噪聲和低THD+N性能。

五、性能特點(diǎn)

THD+N與輸出功率關(guān)系

通過(guò)一系列的圖表展示了不同電源電壓、負(fù)載阻抗和頻率下，THD+N與輸出功率的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，隨著輸出功率的增加，THD+N會(huì)逐漸增大。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)應(yīng)用要求選擇合適的輸出功率，以確保THD+N在可接受的范圍內(nèi)。

頻率響應(yīng)

頻率響應(yīng)圖表顯示了放大器在不同頻率下的增益變化。在音頻應(yīng)用中，通常希望放大器在20Hz - 20kHz的范圍內(nèi)有平坦的頻率響應(yīng)，以保證聲音的真實(shí)性。

電源抑制比（PSRR）

PSRR圖表展示了放大器對(duì)電源紋波的抑制能力。較高的PSRR值意味著放大器對(duì)電源波動(dòng)的敏感度較低，能夠提供更純凈的音頻輸出。

功率降額曲線

功率降額曲線顯示了在不同環(huán)境溫度下，放大器的最大允許功率耗散。在高溫環(huán)境下，需要降低輸出功率，以避免放大器過(guò)熱。

六、應(yīng)用信息

HTSSOP封裝PCB安裝注意事項(xiàng)

LM4938的HTSSOP封裝（MH）提供了低的熱阻，能夠?qū)崃靠焖賯鬟f到PCB上。為了實(shí)現(xiàn)最佳的熱性能，需要將封裝的暴露焊盤(pán)（DAP）焊接到PCB上的接地銅墊上，并通過(guò)過(guò)孔連接到大面積的接地平面。同時(shí)，需要根據(jù)環(huán)境溫度和負(fù)載情況，合理選擇散熱面積。

PCB布局和電源調(diào)節(jié)注意事項(xiàng)

在驅(qū)動(dòng)3Ω和4Ω負(fù)載時(shí)，PCB布局和電源調(diào)節(jié)非常重要。為了減少負(fù)載上的功率損耗，需要盡量減小輸出引腳與負(fù)載之間的互連電阻，因此PCB走線應(yīng)盡可能寬。此外，良好的電源調(diào)節(jié)能夠保證放大器的最大輸出功率，避免輸出信號(hào)削波。

橋接配置解釋

LM4938的輸出級(jí)由兩對(duì)運(yùn)算放大器組成，形成一個(gè)雙通道立體聲放大器。在橋接模式下，兩個(gè)放大器產(chǎn)生幅度相同但相位相差180°的信號(hào)，通過(guò)差分驅(qū)動(dòng)負(fù)載，能夠提供更高的輸出功率和更寬的輸出電壓擺幅。與單端放大器相比，橋接模式還具有無(wú)直流電壓跨接負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)，從而消除了輸出耦合電容。

功率耗散

功率耗散是設(shè)計(jì)放大器時(shí)需要考慮的重要因素。在橋接模式下，LM4938的每個(gè)通道的最大內(nèi)部功率耗散是單端放大器的四倍。為了確保放大器的安全運(yùn)行，需要根據(jù)環(huán)境溫度和封裝的熱阻，計(jì)算最大允許的功率耗散，并采取相應(yīng)的散熱措施。

電源旁路

適當(dāng)?shù)碾娫磁月穼?duì)于低噪聲性能和高電源抑制比至關(guān)重要。除了使用外部的濾波電容外，還需要在LM4938的電源引腳和地之間連接一個(gè)1.0μF的鉭電容，以提高內(nèi)部偏置電壓的穩(wěn)定性。

外部組件選擇

選擇合適的外部組件能夠優(yōu)化LM4938的性能。例如，輸入耦合電容的選擇會(huì)影響低頻響應(yīng)和咔嗒聲、爆裂聲性能；增益的設(shè)置會(huì)影響THD+N和信噪比。在選擇組件時(shí)，需要根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行權(quán)衡。

七、功能說(shuō)明

對(duì)接站接口

LM4938的右對(duì)接和左對(duì)接輸出可用于連接外部設(shè)備，如顯示器或音頻/視頻設(shè)備。這些輸出可以驅(qū)動(dòng)大于1kΩ的負(fù)載，但需要使用耦合電容來(lái)隔離直流偏置。

蜂鳴聲檢測(cè)功能

LM4938的蜂鳴聲輸入引腳可以檢測(cè)系統(tǒng)的蜂鳴聲信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，橋接輸出放大器將被啟用，即使在靜音狀態(tài)下也會(huì)放大蜂鳴聲信號(hào)。

微功耗關(guān)斷功能

通過(guò)向關(guān)斷引腳施加電源電壓，可以激活微功耗關(guān)斷模式，降低放大器的偏置電流?？梢允褂瞄_(kāi)關(guān)、微處理器或微控制器來(lái)控制關(guān)斷功能。

模式功能

模式引腳控制LM4938的工作模式。當(dāng)模式引腳為0V時(shí)，放大器作為單位增益放大器工作；當(dāng)模式引腳為電源電壓時(shí)，放大器根據(jù)直流音量控制引腳的電壓設(shè)置增益。

靜音功能

當(dāng)向靜音引腳施加電源電壓時(shí)，放大器和對(duì)接輸出將被靜音。但在檢測(cè)到系統(tǒng)蜂鳴聲信號(hào)時(shí)，仍會(huì)放大該信號(hào)。

耳機(jī)檢測(cè)功能

通過(guò)檢測(cè)耳機(jī)插孔的電壓，可以實(shí)現(xiàn)耳機(jī)檢測(cè)功能。當(dāng)插入耳機(jī)時(shí)，放大器將切換到單端模式，以驅(qū)動(dòng)耳機(jī)。

增益選擇功能（低音增強(qiáng)）

增益選擇引腳可以選擇內(nèi)部或外部反饋電阻，從而設(shè)置放大器的增益。通過(guò)在反饋電阻上串聯(lián)一個(gè)電阻和電容的組合，可以實(shí)現(xiàn)低音增強(qiáng)功能。

直流音量控制

LM4938的內(nèi)部立體聲音量控制由直流電壓控制。通過(guò)調(diào)節(jié)直流音量控制引腳的電壓，可以在0dB - 89dB的范圍內(nèi)進(jìn)行音量調(diào)節(jié)。

八、音頻功率放大器設(shè)計(jì)示例

以驅(qū)動(dòng)1W功率到8Ω負(fù)載為例，介紹了音頻功率放大器的設(shè)計(jì)步驟：

1. 確定最小電源電壓：根據(jù)輸出功率和負(fù)載阻抗，計(jì)算所需的最小電源電壓。同時(shí)，需要考慮放大器的壓降和最大功率耗散。
2. 計(jì)算最小增益：根據(jù)輸入信號(hào)和輸出功率，計(jì)算所需的最小增益。
3. 設(shè)置-6dB頻率帶寬：為了實(shí)現(xiàn)平坦的頻率響應(yīng)，需要設(shè)置合適的-6dB頻率帶寬。

九、推薦的PCB布局和評(píng)估板信息

文檔提供了LM4938MH的推薦PCB布局，包括頂層、內(nèi)層和底層的布局圖。同時(shí)，還給出了評(píng)估板的材料清單，方便用戶進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

十、總結(jié)

LM4938是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的音頻功率放大器。它具有多種特點(diǎn)和功能，適用于各種音頻應(yīng)用。在設(shè)計(jì)應(yīng)用電路時(shí)，需要充分考慮其電氣特性、熱性能、PCB布局等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的音頻效果。通過(guò)合理選擇外部組件和優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以滿足不同用戶的需求，為電子設(shè)備提供高質(zhì)量的音頻輸出。

作為電子工程師，在使用LM4938時(shí)，你是否遇到過(guò)一些特殊的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)？你是如何解決這些問(wèn)題的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。