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LM4890功放电路的分析

泰罗葫芦娃
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发布于 2017/09/12 11:24
字数 3281
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一、电路图

    先发个图来看看,这个图是LM4890在MPN中常用到的电路。


二、LM48920介绍

1、大概描述
    LM4890 是一款主要为移动电话和其他便携式通信设备中的应用而设计的音频功率放大器。在5V 直流供电下,它可以将1W 的功率连续平均功率输出到8Ω 的BTL(什么是BTL呢?) 负载上,且总的谐波失真小于1%。Boomer 音频功率放大器是为使用尽可能小的外部组件来提供高质量的输出功率而专门设计的。LM4890 不需要外部的耦合电容或者自举电容,所以非常适用移动电话和其他低压应用,这些应用中的主要要求是功耗尽可能小。
    LM4890 的主要特征是关断模式下功耗低。当关断引脚的电平为低时即可进入关断模式。另外,LM4890
还有一个特征是内部的热关断保护机制。
    LM4890 包含一个特殊电路用来消除从开启到关断转换时产生的噪音。
    LM4890 的单位增益是稳定的,它可以通过设置外部的增益电阻来配置。

注:BTL,(Bridge-Tied-load)意为桥接式负载。负载的两端分别接在两个放大器的输出端。其中一个放大器的输出是另外一个放大器的镜像输出,也就是说加在负载两端的信号仅在相位上相差180°。负载上将得到原来单端输出的2倍电压。从理论上来讲电路的输出功率将增加4倍。BTL电路能充分利用系统电压,因此BTL结构常应用于低电压系统或电池供电系统中。在汽车音响中当每声道功率超过10w时,大多采用BTL形式。BTL形式不同于推挽形式,BTL的每一个放大器放大的信号都是完整的信号,只是两个放大器的输出信号反相而已。用集成功放块构成一个BTL放大器需要一个双声道或两个单声道的功放块。但是并不是所有的功放块都适用于BTL形式,BTL形式的几种接法也各有优劣。典型的功放集成块有TDA2030A LM1875 LM4766 LM3886 TDA1514等。

三、应用说明

1、桥式结构的例子

      

      如图1 所示,LM4890 内部有两个运算放大器,可以有一些不同的放大器结构。第一个放大器的增益可由外部设置,而第二个放大器的增益是内部固定的单位增益,反向结构的。第一个放大器的闭环增益由Rf 和Ri 的比值来确定,第二个放大器的增益由内部两个10kΩ 的电阻固定。图1 可以看出,第一个放大器的输出作为第二个放大器的输入,这样使得两个放大器的输出在幅值上是相等的,而相位上相差180 度。因此,整个电路的差分增益为

AVD=2*( Rf/ Ri)

        通过Vo1 和Vo2 来差分驱动负载这种结构叫做“桥式结构”。桥式结构的工作不同于经典的单端输出而载的另一端接地的放大器结构。和单端结构的放大器相比,桥式结构的设计有其独特的优点。它可以差动驱动负载,因此在工作电压一定的情况下输出电压的摆幅可以加倍。在相同的条件下,输出功率是单端结构的4 倍。为了选择放大器的闭环增益而不至于导致额外失真,请参考音频功率放大器的设计部分。桥式结构,比如LM4890 中的应用,和单端结构相比还有另外一个优点。由于是差分输出,Vo1 和Vo2偏置在1/2 的VDD,因此在负载上没有直流电压。这样就不需要输出耦合电容,而在单电源供电单端输出的放大器中这个电容是必需的。没有输出耦合电容,负载上1/2VDD 的偏置可以导致集成电路内部的功耗和可能的响度损失。

(1)功耗
        不管是桥式的还是单端的,在设计一个成功的功放的时候,功耗是一个主要的考虑因素。桥式放大器输出到负载上的功率增大会直接导致内部功耗的增加。由于LM4890 在内部集成了两个运算放大器,因此最大的内部功耗是单端结构的4 倍。对于一个应用来说,最大的功耗可由功耗曲线图或者方程(1)得出

PDMAX=4*(VDD)2/(2π2RL) (1)

    最大的结温TJMAX 不能超过150℃。TJMAX 使用PDMAX 和PCB 面积由功耗曲线上得出。额外的铜铂可使应用的内部电阻减小到150℃/W,从而导致高的PDMAX。额外的铜铂可有任何连接LM4890 的导线引入。当连接VDD,GND,和输出PIN 脚的时候这种影响尤其明显。如过TJMAX 超过150℃就必须要有一定改变。这些改变包括减小供电电压,高的负载阻抗,或者减小周围的温度。内部功耗是输出功率的函数。请参考典型的功耗曲线来得到不同输出功率和输出负载下的功耗的信息。

(2)电源直通
        对于任何放大器,适当的电源直通对于低噪音性能和高的电源抑制比十分关键。电源引脚和 bypass引脚上的电容应该尽可能地靠近器件。典型的应用都采用5V电压和10uF 的钽电容或电气电容和陶瓷电容,用来稳定供电电压。但LM4890 的电源节点的仍需要直通滤波。直通电容尤其是CB 的选择由PSRR 的要求、毛刺和pop 性能、性能耗费和大小限制决定。

(3)关断功能
       为了在不使用时能减小功耗,LM4890 含有一个关断引脚用来通过外部关断放大器的偏置电流。当关断引脚的逻辑电平为低时,放大器就被关断。把关断引脚连接在地线上可以使LM4890 的关断时的漏电流达到最小。当关断引脚的电压小于0.5VDC 时,器件将不能工作。关断引脚接地时的漏电流可能会比典型的关断电流0.1uA 要大一些。
    在许多的应用中,常用微控制器或微处理器的输出来控制关断电路以便于使电路快速平稳的转换到关断模式。另外一个方法就是使用单极单掷的开关在外部连接一个上拉电阻。当开关合上时,关断引脚接地使得放大器不能工作。当开关断开时,外部的上拉电阻将使得LM4890 工作。这种方案确保了关断引脚不会悬空,因此不会导致不希望的状态改变。

(4)外部组件的适当选择
       在集成功率放大器的应用中,适当的外部组件选择对于优化器件和系统的性能十分关键。由于LM4890对于外部组件的要求很宽松,因此必须考虑外部元件的值使得系统的整体性能最佳。LM4890 单位增益非常稳定,这就给予设计者最大的系统灵活性。LM4890 应该使用低增益结构,这样可使THD+N 最小而使得信噪比最大。低增益结构需要大的输入信号来获得一定的输出功率。一般要求从信号源比如音频解码器获得的输入信号等于或者略大于1Vrms。请参考音频放大器的设计部分来获得更完整的关于适当增益选择的解释。
       除增益外,放大器的另一个主要考虑因素是放大器闭环回路的带宽。在很多情况下,带宽是由外部组件的选择决定的,如图(1)所示。输入耦合电容Ci 组成第一级高通滤波器,它限制了低频信号的反应。这些值的选择应该基于特定条件下对频率响应的要求。

(5)输入电容大小的选择
       大的输入电容不仅昂贵,而且对于便携式设备的设计来说占空间。显然,一定大小的电容用来耦合进低频信号而不至于使其变弱是必要的。但是在很多情况下,便携式系统中的喇叭,不管是外置的还是内置的,几乎都不能使频率低于100Hz 到150Hz 的信号重生。因此使用大的输入电容将不会提高系统的实际性能。
       另外,系统的花销和大小、毛刺和pop 性能也受输入耦合电容Ci 大小的影响。大的输入电容需要更多的电荷来达到它需要的静态电压DC(一般是1/2VDD)。这些电荷来自输出经由反馈而且容易产生pop 噪音。因此,在需要的低频响应的基础上,使输入电容的尽可能小能使开机的pop 噪音最小。除了输入电容要尽可能小,直通电容的大小也必须仔细考虑。直通电容CB 决定了LM4890 的开启速度,因此它是使开启pop 噪音最小的最关键组件。LM4890 的输出信号相对于静态电压DC 变化越慢,开启的噪音就越小。选择1.0uF 的CB 和和小的Ci(0.1uF 到0.39uF)可以使关断时无毛刺和噪音。在器件正常工作的情况下(无高频和低频的振荡),CB 为1.0uF 时,器件将更容易受毛刺和pop 噪音的影响。因此,除了在非常敏感的设计中,都建议使CB 为1.0uF。

(6)音频功率放大器的设计
一个1W/8Ω 的音频放大器
要求:
功率 1Wrms
负载阻抗 8Ω
输入电平 1Vrms
输入阻抗 20kΩ
带宽 100Hz 到20kHz±0.25dB
       一个设计者必须首先确定最小供电电压的来获得一定要求的输出功率。通过推测输出功率与供电电压的曲线中可以很容易找出。第二种确定的方法是利用方程(2)和输出电压来计算所需的Vopeak。用这种方法,
最小的电压为(Vopeak+(VODTOP+VODBOT)),其中VODTOP 和VODBOT 是从dropout 电压和供电电压的曲线推测出来的。

Vopeak=(2RLPO)1/2 (2)

        在许多应用中,5V 是标准的电压。常把它作为供电电压。额外的供电电压会产生大的电压摆动余度,
从而允许高于1W 的峰值而不至于失真。此时,设计者必须确保供电电压的选择与输出阻抗没有违背功耗
部分所说过的条件。一旦功耗方程确定,所需的差分增益可由方程(3)来确定。

AVD≥(PORL)1/2/(VIN)=Vorms/Vinrms (3)

Rf/Ri=AVD/2

       从方程(3),最小AVD 是2.83,我们使用AVD=3。我们期望的输入阻抗是20kΩ,AVD=2,Rf/Ri=1.5/1,取Ri=20kΩ,Rf=30kΩ。最后的设计步骤是确定带宽,它由两个频率下降3dB 的点来确定。此点频率的5 倍处是下降0.17dB。这比要求的0.25dB 更好。
fL=100kHz/5=20Hz
fH=20kHz*5=100kHz
如在外部组件部分所述,Ri 和Ci 组成一个高通滤波器。
Ci≥1/(2π*20kΩ*20Hz)=0.397uF;
我们使用0.39uF。高频截止点由所需的高频截止频率fH,差分增益AVD 来确定。
在AVD=3,fH=100kHz 时,GBWP=150kHz,这比LM4890 的4MHz 的GBWP 要低得多。这说明,设计者要设计一个高差分增益的放大器,LM4890 仍然可以被采用而不至于使其进入带宽限制的条件。

(7)更高增益的音频放大器
       LM4890 的单位增益非常稳定。在典型的应用中,除了增益设置电阻、输入耦合电容和适当的电源直
通滤波,它不需要其他外部组件。但是,当需要闭环增益大于10 的时候,就需要一个反馈电容C4,如图
2 所示。这个反馈电容组成一个低通滤波器来消除可能产生的高频振荡。在计算-3dB 频率的时候必须注意,因为R3 和C4 不适当的组合会导致20kHz 之前rolloff。典型的不导致音频范围内高频rolloff 反馈电阻和电容的组合是R3=20kΩ 和C4=25pf。这些组件使得-3dB 点大约在320kHz。在低于100kHz 时,反馈电阻和
电容并不建议使用。

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