深入剖析LM4950音頻功率放大器：特性、應用與設(shè)計要點

引言

在音頻設(shè)備的設(shè)計中，功率放大器是至關(guān)重要的一環(huán)，它直接影響著音頻的輸出質(zhì)量和性能。今天我們要探討的主角——LM4950音頻功率放大器，來自德州儀器（TI），它以其出色的性能和豐富的特性，在平板顯示器、電視和計算機聲卡等領(lǐng)域得到了廣泛應用。接下來，讓我們一起深入了解這款放大器的奧秘。

文件下載：lm4950.pdf

一、LM4950的特性亮點

1. 消除開關(guān)機噪聲

LM4950配備了先進的Pop & Click電路技術(shù)，這一技術(shù)能夠有效消除在開機和關(guān)機過渡過程中產(chǎn)生的噪聲，為用戶提供純凈的音頻體驗。想象一下，當你打開音響設(shè)備時，沒有惱人的“噗噗”聲干擾，直接進入美妙的音樂世界，這種體驗是不是很棒？

2. 低功耗設(shè)計

• 低靜態(tài)電流：其靜態(tài)電源電流典型值僅為16mA，這意味著在不進行音頻放大工作時，它消耗的電量非常少，有助于降低整體系統(tǒng)的功耗。
• 低關(guān)機電流：在關(guān)機模式下，典型電流僅為40μA，進一步節(jié)省了能源。這對于需要長時間待機的設(shè)備來說，是非常重要的特性。

3. 強大的輸出功率

• 立體聲輸出：在(R_{L}=4 Omega)的負載下，能夠?qū)崿F(xiàn)每通道3.1W的立體聲輸出功率，提供清晰、飽滿的立體聲效果。
• 單聲道BTL輸出：當采用單聲道BTL（橋接負載）模式時，在(R_{L}=8 Omega)的負載下，可輸出7.5W的功率，滿足對大功率音頻輸出的需求。

4. 保護機制完善

• 短路保護：具備短路保護功能，當輸出端發(fā)生短路時，能夠自動保護芯片，避免因短路而損壞，提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。
• 熱關(guān)斷保護：內(nèi)部設(shè)有熱關(guān)斷保護機制，當芯片溫度過高時，會自動關(guān)閉，防止芯片因過熱而損壞，延長了芯片的使用壽命。

5. 增益配置靈活

LM4950是單位增益穩(wěn)定的，并且可以通過外部增益設(shè)置電阻進行靈活配置。這使得工程師在設(shè)計時能夠根據(jù)具體的應用需求，調(diào)整放大器的增益，以達到最佳的音頻效果。

二、關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

這些參數(shù)是我們在實際設(shè)計中需要重點關(guān)注的，它們直接影響著放大器的性能和應用范圍。例如，輸出功率參數(shù)決定了放大器能夠驅(qū)動多大功率的負載，而電源抑制比則反映了放大器對電源紋波的抑制能力。

三、典型應用電路

1. 橋接負載（BTL）音頻放大器應用電路

 在BTL模式下，LM4950由兩個運算放大器驅(qū)動連接在它們輸出之間的揚聲器。外部輸入和反饋電阻的值決定了每個放大器的增益，這種配置能夠提供更高的輸出功率。

2. 立體聲單端（SE）音頻放大器應用電路

 SE模式適用于需要立體聲輸出的應用場景，通過合理配置外部元件，可以實現(xiàn)清晰、平衡的立體聲效果。

四、設(shè)計要點與注意事項

1. 功率耗散計算

功率耗散是設(shè)計單端或橋接放大器時需要重點考慮的問題。對于LM4950，在不同的負載和工作模式下，功率耗散的計算方法不同：

• 單端模式：(MAX - SE = (V{DD})^{2} / (2 pi^{2} R{L}))
• 橋接模式：(MAX - MONOBL = 4(V{DD})^{2} / 2 pi^{2} R{L})

同時，最大允許功率耗散還受到芯片結(jié)溫、熱阻和環(huán)境溫度的限制，計算公式為(P{DMAX} = (T{MAX} - T{A}) / theta{JA})。在設(shè)計時，需要根據(jù)實際情況合理選擇電源電壓、負載阻抗和散熱措施，以確保芯片的功率耗散在安全范圍內(nèi)。

2. 電源電壓限制

為了確保放大器的連續(xù)正常運行，任何引腳相對于地的電壓都不能超過絕對最大額定值。在選擇電源時，要充分考慮這一限制，避免因電壓過高而損壞芯片。

3. 電源旁路電容選擇

合適的電源旁路電容對于降低噪聲和提高電源抑制比至關(guān)重要。在應用中，通常使用10μF和0.1μF的濾波電容來穩(wěn)定電壓調(diào)節(jié)器的輸出，但同時還需要在LM4950的電源引腳和地之間連接一個1.0μF的鉭質(zhì)旁路電容。需要注意的是，不要用陶瓷電容代替鉭電容，否則可能會導致振蕩。此外，連接在旁路引腳和地之間的10μF電容(C_{BYPASS})可以提高內(nèi)部偏置電壓的穩(wěn)定性和放大器的PSRR，但電容值過大可能會增加開機時間并影響放大器的開關(guān)機性能。

4. 微功耗關(guān)機控制

LM4950具有低電平有效的微功耗關(guān)機模式，通過向關(guān)機引腳施加接近地的電壓，可以將關(guān)機電流降低到典型的40μA。可以使用單刀單擲開關(guān)、微處理器或微控制器來控制關(guān)機模式。在使用開關(guān)控制時，需要連接適當?shù)纳侠娮韬头謮弘娮?，以確保關(guān)機引腳的電壓不超過(V_{DD} / 2)，防止出現(xiàn)意外的狀態(tài)變化。

5. 外部元件選擇

• 輸入電容值選擇：輸入耦合電容的值由需要放大的最低音頻頻率和所需的輸出瞬態(tài)抑制決定。輸入電阻(R{IN})和輸入電容(C{IN})構(gòu)成一個高通濾波器，其截止頻率為(f{c} = 1 / 2 pi R{i} C)。例如，當使用低頻下限為50Hz的揚聲器時，(C_{i})的值約為0.159μF。
• 旁路電容值選擇：連接到旁路引腳的電容(C{BYPASS})的值對于最小化開機“噗噗”聲至關(guān)重要。選擇(C{BYPASS})等于10uF，并結(jié)合較小的(C_{IN})值（在0.1uF到0.39uF范圍內(nèi)），可以實現(xiàn)無咔嗒聲和噗噗聲的關(guān)機功能。

6. 優(yōu)化咔嗒聲和噗噗聲抑制性能

LM4950內(nèi)部的電路能夠消除開機和關(guān)機瞬態(tài)噪聲。在開機過程中，當旁路引腳的電壓達到(V{DD} / 2)時，內(nèi)部放大器才會完全工作。為了消除咔嗒聲和噗噗聲，所有電容在開機前必須放電。此外，(C{IN})和(C{BYPASS})的值之間存在一定的關(guān)系，通過設(shè)置(C{IN})和(R{i} + R{f})產(chǎn)生的時間常數(shù)小于給定(C_{BYPASS})值的開機時間，可以獲得最佳的抑制效果。

7. 驅(qū)動壓電揚聲器換能器

LM4950能夠驅(qū)動電容小于等于200nF的壓電換能器負載。為了確保穩(wěn)定運行，需要在20kΩ的反饋電阻上并聯(lián)33pF的電容。在這種應用中，LM4950的功率耗散通常很低，例如在驅(qū)動200nF的壓電換能器（(V_{DD}=12V)）時，功率耗散通常小于250mW。

五、總結(jié)

LM4950音頻功率放大器以其出色的性能、豐富的特性和靈活的設(shè)計選項，為音頻設(shè)備的設(shè)計提供了強大的支持。在實際應用中，我們需要根據(jù)具體的需求和場景，合理選擇電路配置和外部元件，同時注意功率耗散、電源電壓、旁路電容等關(guān)鍵因素，以確保放大器能夠發(fā)揮最佳性能。希望通過本文的介紹，能夠幫助電子工程師們更好地理解和應用LM4950，設(shè)計出更加優(yōu)秀的音頻產(chǎn)品。你在使用LM4950的過程中遇到過哪些問題？或者有什么獨特的設(shè)計經(jīng)驗，歡迎在評論區(qū)分享交流。