LM4702是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的一款高保真音頻功率放大驅(qū)動(dòng)器件，是為對(duì)音質(zhì)有高要求且需求大功率輸出的消費(fèi)者應(yīng)用而設(shè)計(jì)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(jìn)行調(diào)整。采用LM4702設(shè)計(jì)的音頻放大器每個(gè)聲道能夠在8Ω負(fù)載上輸出超過(guò)300W 的功率。
LM4702內(nèi)含有過(guò)熱保護(hù)電路，當(dāng)溫度超過(guò)150℃時(shí)它會(huì)停止工作。另外，LM4702有靜音功能，啟用后會(huì)減弱輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(gè)等級(jí)，在應(yīng)用程序和性能水平方面跨越了很大的范圍。LM4702C針對(duì)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(yàn)中)定位為最高端的應(yīng)用，有著最高的工作電壓。這3個(gè)等級(jí)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(bǔ)償、熱保護(hù)和靜音等。它們可廣泛用于汽車(chē)音響、AV家庭影院、Hi-Fi音響、舞臺(tái)音響和工業(yè)控制等。
圖1為L(zhǎng)M4702的外觀和引腳，圖2為L(zhǎng)M4702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(lái)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(guò)短路到地或懸空靜音引腳來(lái)實(shí)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(guò)電阻(Rm)將電源連接到靜音引腳(Vmute)來(lái)實(shí)現(xiàn)。流入靜音引腳的電流可以由公式
Imute=(Vmute-2.9)/Rm
來(lái)計(jì)算。例如，如果5V的電源通過(guò)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(shí)Rm需要相應(yīng)地重新計(jì)算。目前不推薦使用流入靜音引腳的電流大于2mA，因?yàn)檫@樣LM4702可能會(huì)受到損壞。
強(qiáng)烈推薦在靜音與播放模式之間迅速轉(zhuǎn)換這個(gè)功能，它可通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)一邊連接到靜音引腳，另一邊通過(guò)電阻連接到地或電源上。緩慢增加靜音電流可能會(huì)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(hù)
LM4702有完整的熱保護(hù)系統(tǒng)來(lái)防止系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作所帶來(lái)的熱壓。當(dāng)芯片內(nèi)部的溫度超過(guò)150℃的時(shí)候，LM4702自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)芯片內(nèi)部的溫度降低到145℃時(shí)又開(kāi)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(gè)145℃ ～150℃的熱開(kāi)合工況下。這樣一來(lái)，通過(guò)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?yàn)榫A溫度與散熱器的溫度直接相關(guān)，所以散熱器必須經(jīng)過(guò)選擇，以保證在正常狀態(tài)下過(guò)熱開(kāi)關(guān)不會(huì)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(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地工作。
3.功耗和散熱
在播放模式時(shí)，它的工作電流是常量，與輸入信號(hào)幅度無(wú)關(guān)。因此，功耗對(duì)于給定的電壓是一定的，可以用公式PDMAX=Icc×(Vcc-Vee)來(lái)表示。對(duì)PDMAX的一個(gè)快速計(jì)算方法是：在電流約為25mA的時(shí)候，用整個(gè)電壓與它相乘即可(電流在工作范圍內(nèi)會(huì)有微小的變化)。
對(duì)高功率放大器的散熱器進(jìn)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(hù)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(gè)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?yàn)闊崃?功耗)類(lèi)似于電流流動(dòng)，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(shí)，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(shuō)明，θSA的數(shù)值與系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對(duì)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(mǎn)足應(yīng)用的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)對(duì)外部器件進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇。下面就來(lái)談?wù)勍鈬骷䲠?shù)值的選擇將影響增益和低頻響應(yīng)。每個(gè)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(jì)的放大倍數(shù)來(lái)確定Rf的值。對(duì)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(gè)高通濾波器，低頻響應(yīng)就由這兩個(gè)元件來(lái)決定。這個(gè)-3dB的頻率點(diǎn)可以由下式來(lái)得到
fi=1/(2πRiCi)
如果一個(gè)輸入耦合電容被用來(lái)阻斷來(lái)自輸入的直流，那里將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高通濾波器(CIN與RIN的結(jié)合)。當(dāng)使用輸入耦合電容時(shí)，必須用RIN來(lái)設(shè)置放大器輸入端的直流偏置點(diǎn)。CIN與RIN結(jié)合后產(chǎn)生的-3dB頻率響應(yīng)可以由下式來(lái)表示
fIN=1/(2πRINCIN)
當(dāng)輸入端懸空時(shí)，在輸出端有可能會(huì)觀測(cè)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(dòng)消失。在RIN減小的時(shí)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(shí)避免熱失控
當(dāng)對(duì)LM4702使用雙極性晶體管作輸出級(jí)的時(shí)候(如圖2所示)，設(shè)計(jì)者必須注意熱失控的問(wèn)題。熱失控是由于對(duì)Vbe(晶體管的固有性質(zhì))的溫度依賴(lài)所造成的。當(dāng)溫度上升時(shí)，Vbe下降。實(shí)際上，電流流過(guò)雙極性晶體管的時(shí)候加熱了晶體管，但又降低了Vbe，這又反過(guò)來(lái)增加了電流強(qiáng)度，并且開(kāi)始循環(huán)這個(gè)過(guò)程。如果系統(tǒng)沒(méi)有恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，這種正反饋機(jī)制將會(huì)毀壞輸出級(jí)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(lái)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(fù)反饋電阻(Emitter DegenerationResistor，圖2中的Re1、Re2、Re3、Re4)。當(dāng)電流增加的時(shí)候，發(fā)射極負(fù)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(jī)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(lái)鉗位雙極性輸出級(jí)，如圖2所示。這種Vbe乘法器包括了一個(gè)雙極性晶體管(Qmult,如圖2所示)和兩個(gè)電阻，一個(gè)從基極到集電極(圖2中的Rb2和Rb4)，另一個(gè)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(shí)也是輸出級(jí)的偏置電壓)Vbias=Vbe(1+Rb2/Rb1)，這也就是為什么這個(gè)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(shí)，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(shí)，它將吸收更多的電流。這將限制基極進(jìn)入輸出晶體管的電流，從而中和熱失控。
表1為L(zhǎng)M4702 C工作電壓在±75V 和±50V時(shí)的電氣特性。表2為L(zhǎng)M4702A、B工作電壓在±100V時(shí)的電氣特性。
表1 LM4702C的電氣特性
(Imute=1.5mA，除非特別說(shuō)明，否則TA=25℃)
注：1.典型值在25℃下測(cè)定，代表參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。
2.測(cè)試范圍保證美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的平均出廠質(zhì)量水平。
3.數(shù)據(jù)的最大/最小規(guī)格范圍得到設(shè)計(jì)、測(cè)試和統(tǒng)計(jì)分析的保證。
二、LM4702功率放大器設(shè)計(jì)方案
圖5是LM4702的參考設(shè)計(jì)圖。圖6為其印板圖。它在一些通用的關(guān)鍵參數(shù)上表現(xiàn)良好，例如THD+N(0.0006％)、SNR、頻率響應(yīng)、噪聲和其他音頻指標(biāo)，并且獲得了良好的測(cè)試結(jié)果。
1.印刷電路板布局
與所有低噪聲、高品質(zhì)的電路板布局一樣，需要特別注意LM4702功率放大器接地和電源電路設(shè)計(jì)布局。接地和電源的星形連接對(duì)音頻電路板布局有非常好的應(yīng)用效果。星形連接是從電路中每個(gè)元件出發(fā)的線路最后集中到某個(gè)中心點(diǎn)，圖5所示的LM47O2示范板的布線圖是一個(gè)很好的例子。注意，所有的接地線如何匯集在電路板左側(cè)，Rs1和Rs2的附近，并且連接到電源連接器中心的兩個(gè)接地針腳。連接到左右輸出口的接地走線也匯集在星狀接地的中心，它是電源連接器的中心，兩個(gè)接地針腳也位于此處。
接地走線的星狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣也可應(yīng)用于電源電路。這一點(diǎn)在LM4702示范板的布線圖上不太明顯，因?yàn)樽笥逸敵黾?jí)的電源連線完全通過(guò)示范板頂部分離的電纜進(jìn)行連接。LM4702芯片的電源連接通過(guò)電路板底部的連接器來(lái)實(shí)現(xiàn)，星狀接地的中心也連接到此處。這樣便創(chuàng)建了一個(gè)有效的星狀電源電路，其中有從每個(gè)輸出級(jí)和LM4702連接到主要電源電容的分離線路。這個(gè)星狀連接的主要原因是互補(bǔ)達(dá)林頓輸出設(shè)備與LM4702的電源走線必須保持分離。如果不分離，輸出級(jí)所輸出的高壓電流會(huì)影響甚至改變LM4702芯片的電源供應(yīng)等級(jí)，從而增加失真，并給音頻輸出信號(hào)的質(zhì)量帶來(lái)負(fù)面影響。
必須避免使用接地層和電源層。接地層是大面積的銅箔區(qū)域，通常用于數(shù)字電路板。所有的芯片將接地管腳連接到這個(gè)區(qū)域，而不是采用單獨(dú)的走線連接到一個(gè)中心接地。在高保真放大器中，這會(huì)造成混亂的接地路徑，對(duì)輸出信號(hào)產(chǎn)生不利影響。例如，很容易聽(tīng)見(jiàn)的“嗡嗡”聲就是由接地層的接地回路所產(chǎn)生的。
設(shè)計(jì)接地線和電源線分離的印板需要花費(fèi)相當(dāng)多的布局設(shè)計(jì)時(shí)間，但是不會(huì)改變電路板的最終成本。如果能將電路板保持兩層設(shè)計(jì)，而不是數(shù)字電路板中常見(jiàn)的多層設(shè)計(jì)，那么就可降低成本。
保持印板布線圖左右聲道區(qū)域?qū)ΨQ(chēng)很重要。印板布線圖對(duì)稱(chēng)意味著電路的左右剖面看起來(lái)非常相似(即便不是正好完全相同且有同樣的走線長(zhǎng)度和寬度)。在一些實(shí)例中，電路板的布線圖左邊是對(duì)右邊的鏡像，使得在最終設(shè)計(jì)中產(chǎn)生適當(dāng)?shù)钠胶鈪?shù)(一致的左右聲道)。例如，為了使左右聲道電路獲得0.0006％的THD+N，電路板上的接地連線必須長(zhǎng)度、寬度相同，精確到0.25mm，并且在電路板的兩邊有同樣的形狀。當(dāng)然，不需要那樣仔細(xì)構(gòu)思也能獲得0.01％或更好的THD+N。
LM4702示范板布線圖中一個(gè)值得注意的地方是在放大器電路板的頂層，這兒有一條線連接到LM4702管腳3上的Sink1，引出到達(dá)林頓三極管，另一條走線則連接到管腳11上的Sink2。在對(duì)布線圖進(jìn)行多次重復(fù)設(shè)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)這兩條線之間需要最小2.54mm的間距才能避免可能的振蕩。因?yàn)檫@是兩側(cè)聲道最敏感的點(diǎn)，所以在這兩點(diǎn)間不應(yīng)該有任何耦合。這也是為什么需要在兩條線路之間保持2.54mm最小間距的原因。
圖5 LM4702的參考設(shè)計(jì)圖
圖6 印板圖
2.偏置
目前，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體用新的芯片制作工藝來(lái)制造LM4702高壓驅(qū)動(dòng)器件，可以令THD+N維持在0.0006％的同時(shí)減少偏置等級(jí)。
LM4702放大器中的一個(gè)外部Vbe乘法器電路設(shè)置了輸出級(jí)偏置，它也提供熱保護(hù)功能，以便在輸出級(jí)溫度變化時(shí)維持輸出中點(diǎn)電壓偏移，如圖5所示。三極管Qmult1和Qmult2(目前是D44C8或TIP31A)安裝在NPN和PNP達(dá)林頓大功率三極管之間的散熱片上，盡可能提供最好的溫度同步。在LM4702上設(shè)置更低偏置等級(jí)的能力意味著更少的功耗和更低的熱量。
LM4702示范放大器在獲得低達(dá)0.0006％的THD+N時(shí)只有15～20mA的偏置電流。增加偏置將使達(dá)林頓大功率三極管輸出級(jí)由甲乙類(lèi)放大變?yōu)榧最?lèi)放大，但THD+N或其他音頻指標(biāo)沒(méi)有改善。在美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的臨界監(jiān)聽(tīng)測(cè)試也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何改善，但音色有所變化。在電路中，用于輸出級(jí)的達(dá)林頓大功率三極管的發(fā)射極電路采用了0.5Ω負(fù)反饋電阻。0.5Ω電阻可確保最大限度的保護(hù)和穩(wěn)定，而0.33Ω或更小的電阻可用來(lái)少量地增加輸出功率。
3.電源設(shè)計(jì)和變壓器屏蔽技術(shù)
在LM4702示范放大器中使用的電源采用簡(jiǎn)單的全波橋式整流。變壓器的選擇要考慮空間尺寸限制，并能為8Ω揚(yáng)聲器負(fù)載提供每聲道100W的功率。因此，需要安裝兩個(gè)環(huán)形變壓器，而不是一個(gè)大型的變壓器，兩側(cè)一邊一個(gè)，同時(shí)適合狹小的外殼。采用了這種一邊一個(gè)變壓器的結(jié)構(gòu)后，可以為放大器中的每個(gè)50V (正負(fù))電源提供獨(dú)立的變壓器和整流橋。
由于機(jī)箱設(shè)計(jì)得很小，兩個(gè)環(huán)形變壓器與電路板密切接觸，為了獲得最佳性能，有必要使用Mu金屬屏蔽變壓器。Mu金屬可減輕變壓器對(duì)放大器印刷電路板上的敏感電路產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾。環(huán)形變壓器與EI形鐵心變壓器相比有較小的磁場(chǎng)輻射，但是價(jià)格較貴。環(huán)形變壓器廣泛應(yīng)用于高端音頻設(shè)備，可降低磁場(chǎng)輻射。然而，即便有較低的磁場(chǎng)輻射，在想要獲得最低限度的失真和噪聲時(shí)還是會(huì)發(fā)生問(wèn)題。Mu金屬屏蔽只有在它產(chǎn)生圍繞環(huán)形變壓器的完整回路時(shí)才有效，但它不需要接地就可生效。
4.電源旁路電容
在示范電路板上，從每個(gè)50VDC電源到地面有兩個(gè)0.47uF薄膜旁路電容。另外，第三個(gè)0.47uF電容穿過(guò)±50 VDC電源(從正極到負(fù)極)。這個(gè)電容被安置在穿過(guò)其他兩個(gè)旁路電容頂部的位置。還有一對(duì)同樣的電容并聯(lián)在兩個(gè)巨大的27000uF電源電容旁。大型電解電容在較高頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)，這些較小的薄膜旁路電容能避免這些不必要的影響。主電源濾波器電容選擇低ESR型，它在過(guò)去的設(shè)計(jì)中被證明最適合高端音頻應(yīng)用。
5.輸出選項(xiàng)
LM4702輸出驅(qū)動(dòng)電流限制在5mA。示范放大器使用互補(bǔ)達(dá)林頓大功率三極管作輸出級(jí)來(lái)獲得需要的電流增益，在8Ω負(fù)載上輸出100W的功率。也可以采用低電壓驅(qū)動(dòng)型的互補(bǔ)MOS-FET作輸出級(jí)，它們的VGS值必須是低電壓，因?yàn)長(zhǎng)M4702的輸出限制在6VDC。
6.音質(zhì)
對(duì)于音質(zhì)，在主觀評(píng)價(jià)上可能會(huì)引起一場(chǎng)非常激烈的爭(zhēng)論。但是，一般認(rèn)為在不同的設(shè)備間確實(shí)可聽(tīng)出有所差異，并且可獲得一致的結(jié)論。當(dāng)然，個(gè)別測(cè)試中也有兩種判斷情況存在。因此，在測(cè)試中單元的輸出水平應(yīng)該盡可能匹配得較為接近。在個(gè)別場(chǎng)合，對(duì)于很專(zhuān)業(yè)的聽(tīng)眾，推薦采用0.1dB輸出級(jí)別的差異，但是1dB級(jí)別的匹配一般已經(jīng)足夠了。
7.元件選擇
在美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的監(jiān)聽(tīng)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，用于LM4702示范放大器的不同電路組件中有一個(gè)元件對(duì)聲音信號(hào)質(zhì)量的消極影響不可否認(rèn)，即LM4702輸入端的信號(hào)耦合電容，它降低了音質(zhì)。許多測(cè)試證實(shí)，在音頻信號(hào)通路里，甚至將最好的薄膜和金屬薄片聚苯乙烯電容用在輸入端也會(huì)產(chǎn)生消極的影響。因此，對(duì)于中高端的音頻設(shè)備，建議不要在信號(hào)聲道里使用電容。DC與信號(hào)源的偏置可能是個(gè)難題，推薦采用DC伺服電路以避免放大器輸出存在DC偏置。
8.布線技術(shù)
布線技術(shù)對(duì)于音質(zhì)而言很重要。點(diǎn)到點(diǎn)布線、星狀接地和星狀電源走線能改善噪聲指標(biāo)，并影響音質(zhì)。大規(guī)模布線可減少I(mǎi)R損失(電流×電阻損失)，從而稍稍改善放大器性能。另外，好的接線也是正確構(gòu)建放大器的基本要求。
每個(gè)放大器設(shè)計(jì)都有一些需要設(shè)計(jì)者處理的限制條件，但是LM4702的簡(jiǎn)化特點(diǎn)盡可能減少了這些限制，在保證低失真水平的同時(shí)又能感受到高水準(zhǔn)的音質(zhì)效果。
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