LM4702高保真功放器件的設(shè)計原理

　LM4702是為對音質(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)計的音頻放大器每個聲道能夠在8Ω負(fù)載上輸出超過300W 的功率。LM4702 pdf datasheet
　 LM4702內(nèi)含有過熱保護(hù)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(yàn)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(bǔ)償、熱保護(hù)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(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。這可以通過電阻(Rm)將電源連接到靜音引腳(Vmute)來實(shí)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?yàn)檫@樣LM4702可能會受到損壞。
　　強(qiáng)烈推薦在靜音與播放模式之間迅速轉(zhuǎn)換這個功能，它可通過撥動開關(guān)實(shí)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(hù)
　　LM4702有完整的熱保護(hù)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?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(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(jìn)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(diǎn)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(diǎn)。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(shí)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(qiáng)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(jī)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(fù)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(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(jìn)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℃)
 
 
注：1.典型值在25℃下測定，代表參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。
　　2.測試范圍保證美國國家半導(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、測試和統(tǒng)計分析的保證。