LM4702是美國國家半導(dǎo)體公司推出的一款高保真音頻功率放大驅(qū)動器件，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。當芯片內(nèi)部的溫度超過150℃的時候，LM4702自動關(guān)閉，當芯片內(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?shù)倪x擇。下面就來談?wù)勍鈬骷䲠?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?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℃)
注：1.典型值在25℃下測定，代表參數(shù)的標準。
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。
二、LM4702功率放大器設(shè)計方案
圖5是LM4702的參考設(shè)計圖。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，并且獲得了良好的測試結(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)計布局。接地和電源的星形連接對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元件出發(fā)的線路最后集中到某個中心點，圖5所示的LM47O2示范板的布線圖是一個很好的例子。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，兩個接地針腳也位于此處。
接地走線的星狀結(jié)構(gòu)設(shè)計同樣也可應(yīng)用于電源電路。這一點在LM4702示范板的布線圖上不太明顯，因為左右輸出級的電源連線完全通過示范板頂部分離的電纜進行連接。LM4702芯片的電源連接通過電路板底部的連接器來實現(xiàn)，星狀接地的中心也連接到此處。這樣便創(chuàng)建了一個有效的星狀電源電路，其中有從每個輸出級和LM4702連接到主要電源電容的分離線路。這個星狀連接的主要原因是互補達林頓輸出設(shè)備與LM4702的電源走線必須保持分離。如果不分離，輸出級所輸出的高壓電流會影響甚至改變LM4702芯片的電源供應(yīng)等級，從而增加失真，并給音頻輸出信號的質(zhì)量帶來負面影響。
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區(qū)域，而不是采用單獨的走線連接到一個中心接地。在高保真放大器中，這會造成混亂的接地路徑，對輸出信號產(chǎn)生不利影響。例如，很容易聽見的“嗡嗡”聲就是由接地層的接地回路所產(chǎn)生的。
設(shè)計接地線和電源線分離的印板需要花費相當多的布局設(shè)計時間，但是不會改變電路板的最終成本。如果能將電路板保持兩層設(shè)計，而不是數(shù)字電路板中常見的多層設(shè)計，那么就可降低成本。
保持印板布線圖左右聲道區(qū)域?qū)ΨQ很重要。印板布線圖對稱意味著電路的左右剖面看起來非常相似(即便不是正好完全相同且有同樣的走線長度和寬度)。在一些實例中，電路板的布線圖左邊是對右邊的鏡像，使得在最終設(shè)計中產(chǎn)生適當?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。當然，不需要那樣仔細構(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，引出到達林頓三極管，另一條走線則連接到管腳11上的Sink2。在對布線圖進行多次重復(fù)設(shè)計后，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。因為這是兩側(cè)聲道最敏感的點，所以在這兩點間不應(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)計圖
圖6 印板圖
2.偏置
目前，美國國家半導(dǎo)體用新的芯片制作工藝來制造LM4702高壓驅(qū)動器件，可以令THD+N維持在0.0006％的同時減少偏置等級。
LM4702放大器中的一個外部Vbe乘法器電路設(shè)置了輸出級偏置，它也提供熱保護功能，以便在輸出級溫度變化時維持輸出中點電壓偏移，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0.0006％的THD+N時只有15～20mA的偏置電流。增加偏置將使達林頓大功率三極管輸出級由甲乙類放大變?yōu)榧最惙糯�，但THD+N或其他音頻指標沒有改善。在美國國家半導(dǎo)體公司的實驗室進行的臨界監(jiān)聽測試也沒有發(fā)現(xiàn)任何改善，但音色有所變化。在電路中，用于輸出級的達林頓大功率三極管的發(fā)射極電路采用了0.5Ω負反饋電阻。0.5Ω電阻可確保最大限度的保護和穩(wěn)定，而0.33Ω或更小的電阻可用來少量地增加輸出功率。
3.電源設(shè)計和變壓器屏蔽技術(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揚聲器負載提供每聲道100W的功率。因此，需要安裝兩個環(huán)形變壓器，而不是一個大型的變壓器，兩側(cè)一邊一個，同時適合狹小的外殼。采用了這種一邊一個變壓器的結(jié)構(gòu)后，可以為放大器中的每個50V (正負)電源提供獨立的變壓器和整流橋。
由于機箱設(shè)計得很小，兩個環(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放大器印刷電路板上的敏感電路產(chǎn)生的磁場干擾。環(huán)形變壓器與EI形鐵心變壓器相比有較小的磁場輻射，但是價格較貴。環(huán)形變壓器廣泛應(yīng)用于高端音頻設(shè)備，可降低磁場輻射。然而，即便有較低的磁場輻射，在想要獲得最低限度的失真和噪聲時還是會發(fā)生問題。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50VDC電源到地面有兩個0.47uF薄膜旁路電容。另外，第三個0.47uF電容穿過±50 VDC電源(從正極到負極)。這個電容被安置在穿過其他兩個旁路電容頂部的位置。還有一對同樣的電容并聯(lián)在兩個巨大的27000uF電源電容旁。大型電解電容在較高頻率時會產(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，它在過去的設(shè)計中被證明最適合高端音頻應(yīng)用。
5.輸出選項
LM4702輸出驅(qū)動電流限制在5mA。示范放大器使用互補達林頓大功率三極管作輸出級來獲得需要的電流增益，在8Ω負載上輸出100W的功率。也可以采用低電壓驅(qū)動型的互補MOS-FET作輸出級，它們的VGS值必須是低電壓，因為LM4702的輸出限制在6VDC。
6.音質(zhì)
對于音質(zhì)，在主觀評價上可能會引起一場非常激烈的爭論。但是，一般認為在不同的設(shè)備間確實可聽出有所差異，并且可獲得一致的結(jié)論。當然，個別測試中也有兩種判斷情況存在。因此，在測試中單元的輸出水平應(yīng)該盡可能匹配得較為接近。在個別場合，對于很專業(yè)的聽眾，推薦采用0.1dB輸出級別的差異，但是1dB級別的匹配一般已經(jīng)足夠了。
7.元件選擇
在美國國家半導(dǎo)體公司的實驗室進行的監(jiān)聽測試中發(fā)現(xiàn)，用于LM4702示范放大器的不同電路組件中有一個元件對聲音信號質(zhì)量的消極影響不可否認，即LM4702輸入端的信號耦合電容，它降低了音質(zhì)。許多測試證實，在音頻信號通路里，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產(chǎn)生消極的影響。因此，對于中高端的音頻設(shè)備，建議不要在信號聲道里使用電容。DC與信號源的偏置可能是個難題，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)對于音質(zhì)而言很重要。點到點布線、星狀接地和星狀電源走線能改善噪聲指標，并影響音質(zhì)。大規(guī)模布線可減少IR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。
每個放大器設(shè)計都有一些需要設(shè)計者處理的限制條件，但是LM4702的簡化特點盡可能減少了這些限制，在保證低失真水平的同時又能感受到高水準的音質(zhì)效果。
我司的音頻功率放大器產(chǎn)品請查閱：http://m.uxxk.cn/tech_3.htm |
