LM4838：高性能立體聲音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在音頻設(shè)備的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高性能音頻功率放大器一直是關(guān)鍵組件。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的LM4838立體聲2W音頻功率放大器，它集成了直流音量控制和可選增益功能，為多媒體設(shè)備帶來(lái)了出色的音頻解決方案。

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一、LM4838概述

1.1 特性亮點(diǎn)

• 直流音量控制接口：通過(guò)直流電壓精確控制音量，提供31級(jí)調(diào)節(jié)，范圍從0dB - 78dB，滿足不同場(chǎng)景的音量需求。
• 系統(tǒng)蜂鳴檢測(cè)：可檢測(cè)系統(tǒng)蜂鳴信號(hào)，即使在靜音狀態(tài)下也能將蜂鳴信號(hào)放大輸出。
• 立體聲可切換橋接/單端功率放大器：支持橋接和單端兩種工作模式，橋接模式下能提供更高的輸出功率。
• 可選內(nèi)部/外部增益和低音增強(qiáng)：通過(guò)增益選擇引腳可靈活切換內(nèi)部或外部增益，還能實(shí)現(xiàn)低音增強(qiáng)功能。
• “咔嗒和噗噗”抑制電路：有效減少開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)噪聲，提升音頻體驗(yàn)。
• 熱關(guān)斷保護(hù)電路：當(dāng)芯片溫度過(guò)高時(shí)自動(dòng)關(guān)斷，保護(hù)芯片免受損壞。

1.2 應(yīng)用場(chǎng)景

適用于多種設(shè)備，包括便攜式和臺(tái)式計(jì)算機(jī)、多媒體顯示器、便攜式收音機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）和便攜式電視等。

1.3 性能指標(biāo)

二、關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 熱設(shè)計(jì)

LM4838的熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要，尤其是在高功率輸出時(shí)。以PWP和NJB封裝為例，其暴露的DAP（裸片附著焊盤）需焊接到PCB上的接地銅焊盤，并通過(guò)過(guò)孔連接到大面積接地平面，以實(shí)現(xiàn)高效的熱傳導(dǎo)。

• 銅面積要求：對(duì)于5V電源和4Ω負(fù)載，在25°C環(huán)境溫度下，若散熱片與放大器在同一PCB層，最小面積需2.5in2；若不在同一層，最小面積需5in2。環(huán)境溫度升高時(shí)，需相應(yīng)增加銅面積。
• 過(guò)孔設(shè)置：PWP封裝使用32（4x8）個(gè)過(guò)孔，NJB封裝使用6（3x2）個(gè)過(guò)孔，過(guò)孔直徑為0.012in - 0.013in，間距為1.27mm，并進(jìn)行鍍通孔和焊錫填充。

2.2 PCB布局

• 輸出引腳連接：為減少負(fù)載損耗和確保最大輸出功率，連接輸出引腳和負(fù)載的PCB走線應(yīng)盡可能寬，以降低走線電阻。
• 電源供應(yīng)調(diào)節(jié)：電源供應(yīng)調(diào)節(jié)不佳會(huì)影響最大輸出功率，因此電源走線也應(yīng)盡可能寬，以維持穩(wěn)定的輸出電壓。

2.3 外部組件選擇

• 增益設(shè)置：LM4838為單位增益穩(wěn)定，增益應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)置，避免過(guò)高增益導(dǎo)致THD+N增加和信噪比降低。
• 輸入電容選擇：輸入耦合電容值的選擇需綜合考慮成本、空間和音頻頻率響應(yīng)。對(duì)于低頻響應(yīng)有限的揚(yáng)聲器，可選擇較小的輸入電容，以減少成本和改善“咔嗒和噗噗”性能。
• 旁路電容選擇：電源旁路電容對(duì)降低噪聲和提高電源抑制比至關(guān)重要。建議使用1.0μF鉭電容連接在電源引腳和地之間，避免使用陶瓷電容導(dǎo)致振蕩。連接在旁路引腳和地之間的電容CB可改善內(nèi)部偏置電壓穩(wěn)定性和放大器的PSRR，但過(guò)大的電容會(huì)增加開(kāi)機(jī)時(shí)間和影響“咔嗒和噗噗”性能。

三、功能控制詳解

3.1 靜音功能

將VDD施加到MUTE引腳可使放大器和DOCK輸出靜音，但系統(tǒng)蜂鳴信號(hào)仍能正常輸出。將0V施加到MUTE引腳則恢復(fù)正常工作。

3.2 微功率關(guān)斷

通過(guò)將VDD施加到SHUTDOWN引腳可激活微功率關(guān)斷功能，此時(shí)放大器偏置電路關(guān)閉，降低電源電流?？墒褂脝蔚秵螖S開(kāi)關(guān)、微處理器或微控制器進(jìn)行控制。

3.3 耳機(jī)檢測(cè)功能

當(dāng)HP SENSE引腳電壓在4V - VDD之間時(shí)，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)“+”輸出放大器，使負(fù)載進(jìn)入單端模式，降低靜態(tài)電流消耗?？赏ㄟ^(guò)耳機(jī)插孔、微處理器或開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)控制。

3.4 增益選擇功能（低音增強(qiáng)）

通過(guò)GAIN SELECT引腳選擇內(nèi)部或外部增益模式。在需要增強(qiáng)低頻響應(yīng)時(shí)，可使用外部反饋電阻和電容實(shí)現(xiàn)低音增強(qiáng)功能。

3.5 直流音量控制

通過(guò)施加到DC VOL CONTROL引腳的直流電壓控制內(nèi)部立體聲音量，共有31級(jí)增益調(diào)節(jié)。為減少噪聲影響，采用了滯后設(shè)計(jì)。

四、設(shè)計(jì)實(shí)例：驅(qū)動(dòng)1W進(jìn)入8Ω負(fù)載

4.1 確定電源電壓

根據(jù)輸出功率和負(fù)載阻抗，使用公式(V{outpeak }=sqrt{(2 R{L} P_{0})})計(jì)算所需的峰值輸出電壓，并考慮放大器的壓降，確定最小電源電壓。通過(guò)典型性能曲線可知，對(duì)于8Ω負(fù)載，最小電源電壓為4.6V，常見(jiàn)的5V電源可滿足需求。

4.2 計(jì)算增益

使用公式(v{D} geq sqrt{(P{O} R{U})} / (V{IN}))計(jì)算最小差分增益，以實(shí)現(xiàn)1W的輸出功率。在此設(shè)計(jì)中，最小整體增益為2.83。

4.3 設(shè)置帶寬

為實(shí)現(xiàn)±0.25dB的通帶幅度變化限制，低頻率響應(yīng)應(yīng)延伸至帶寬下限的五分之一，高頻率響應(yīng)應(yīng)延伸至帶寬上限的五倍。通過(guò)輸入電阻和電容設(shè)置放大器的低頻截止頻率，使用公式(C geq 1 / (2 pi R / L))計(jì)算輸入耦合電容值。

五、總結(jié)

LM4838是一款功能強(qiáng)大、性能出色的立體聲音頻功率放大器，通過(guò)合理的熱設(shè)計(jì)、PCB布局和外部組件選擇，能在多種應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻輸出。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需根據(jù)具體需求靈活調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，以達(dá)到最佳的音頻性能。你在使用LM4838或其他音頻功率放大器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。