探索LM4674：高效無濾波立體聲D類音頻功率放大器

在音頻設(shè)備的設(shè)計領(lǐng)域，一款性能卓越的音頻功率放大器往往能為產(chǎn)品帶來質(zhì)的飛躍。今天，我們就來深入了解德州儀器（TI）推出的LM4674無濾波2.5W立體聲D類音頻功率放大器，看看它究竟有哪些獨特之處。

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一、LM4674概述

LM4674是一款單電源、高效的2.5W/通道無濾波開關(guān)音頻放大器。它采用低噪聲PWM架構(gòu)，無需輸出濾波器，這不僅減少了外部組件數(shù)量，降低了電路板面積消耗和系統(tǒng)成本，還簡化了設(shè)計過程。該放大器專為滿足手機和其他便攜式通信設(shè)備的需求而設(shè)計，能夠在單5V電源下，為4Ω負載提供每通道2.5W的連續(xù)輸出功率，且總諧波失真加噪聲（THD+N）小于10%，同時其電源電壓范圍靈活，可在2.4V至5.5V之間工作。

二、核心特性剖析

2.1 保護與控制特性

• 輸出短路保護：這一特性能夠防止設(shè)備在故障條件下受損，大大提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。在實際應用中，短路情況可能由于各種原因發(fā)生，如線路故障、負載異常等，有了輸出短路保護，就可以避免放大器因短路而損壞。
• 獨立關(guān)機控制：LM4674具備獨立的左右聲道關(guān)機控制功能，通過SDR控制右聲道，SDL控制左聲道，可分別禁用每個聲道。在混合單聲道/立體聲應用中，這種獨立控制能夠最大程度地節(jié)省功率。例如，在某些場景下只需要使用單聲道音頻時，就可以關(guān)閉另一個聲道，降低功耗。
• 微功耗關(guān)機：關(guān)機電流典型值僅為0.03μA，這使得設(shè)備在不工作時能夠消耗極低的電量，延長電池續(xù)航時間，對于便攜式設(shè)備來說至關(guān)重要。

2.2 音頻性能特性

• 無輸出濾波器：傳統(tǒng)的音頻放大器通常需要輸出濾波器來去除高頻噪聲，但LM4674采用無濾波調(diào)制方案，減少了外部組件數(shù)量，節(jié)省了電路板空間和成本。同時，其輸出以300kHz的開關(guān)頻率在VDD和GND之間轉(zhuǎn)換，在無信號輸入時，各通道輸出以50%的占空比同相切換，使兩個輸出相互抵消，在空閑狀態(tài)下負載無電流通過。
• 邏輯可選增益：通過G0和G1引腳可選擇四種增益設(shè)置，分別為6dB、12dB、18dB和24dB，滿足不同應用場景下對音頻增益的需求。例如，在不同的音頻源或負載條件下，可以根據(jù)實際情況選擇合適的增益，以獲得最佳的音頻效果。
• 咔嗒聲和爆音抑制：該特性能夠有效消除電源開啟/關(guān)閉和關(guān)機期間的可聽瞬態(tài)噪聲，提供更純凈的音頻輸出。在實際使用中，這些噪聲會嚴重影響音頻體驗，而LM4674的咔嗒聲和爆音抑制功能則解決了這一問題。

2.3 封裝特性

LM4674提供了節(jié)省空間的2mm x 2mm x 0.6mm DSBGA和4mm x 4mm x 0.8mm WQFN封裝，適合對空間要求較高的便攜式設(shè)備設(shè)計。

三、關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

3.1 效率

• 在3.6V電源下，向8Ω負載輸出100mW功率時，效率典型值為80%；輸出500mW功率時，效率典型值為85%。
• 在5V電源下，向8Ω負載輸出1W功率時，效率典型值為85%。

3.2 靜態(tài)電源電流與輸出功率

• 在3.6V電源下，靜態(tài)電源電流典型值為4mA。
• 在VDD = 5V、RL = 4Ω、THD ≤ 10%的條件下，輸出功率典型值為2.5W。

3.3 關(guān)機電流

關(guān)機電流典型值為0.03μA，體現(xiàn)了其低功耗的特點。

四、電氣特性詳解

4.1 輸出偏移電壓與靜態(tài)電流

在VIN = 0、VDD = 2.4V至5.0V的條件下，差分輸出偏移電壓典型值為5mV。在不同電源電壓和負載條件下，靜態(tài)電源電流也有所不同，例如在VIN = 0、RL = ∞、雙聲道激活、VDD = 3.6V時，靜態(tài)電源電流典型值為4mA；VDD = 5V時，典型值為5mA。

4.2 增益設(shè)置

4.3 輸出功率與失真

在不同電源電壓、負載和THD條件下，輸出功率有所差異。例如，在VDD = 5V、RL = 15μH + 4Ω + 15μH、THD ≤ 10%、f = 1kHz、22kHz帶寬的條件下，輸出功率典型值為2.5W；在VDD = 3.6V時，典型值為1.2W。同時，在PO = 500mW、f = 1kHz、RL = 8Ω的條件下，總諧波失真典型值為0.07%。

4.4 電源抑制比與共模抑制比

在不同的紋波電壓和頻率條件下，電源抑制比（PSRR）和共模抑制比（CMRR）表現(xiàn)出色。例如，在VRIPPLE = 200mV P - P正弦波、fRIPPLE = 217Hz、輸入交流接地、Ci = 1μF、輸入?yún)⒖嫉臈l件下，PSRR典型值為75dB；在VRIPPLE = 1V P - P正弦波、fRIPPLE = 1kHz、輸入交流接地、Ci = 1μF、輸入?yún)⒖嫉臈l件下，PSRR同樣為75dB。在VRIPPLE = 1V P - P、fRIPPLE = 217Hz的條件下，CMRR典型值為67dB。

五、應用信息與設(shè)計要點

5.1 放大器功能原理

LM4674采用無濾波調(diào)制方案，輸出以300kHz的開關(guān)頻率在VDD和GND之間轉(zhuǎn)換。無信號時，各通道輸出以50%的占空比同相切換，使兩個輸出相互抵消，負載無電流通過；有輸入信號時，輸出的占空比會根據(jù)信號變化，通過兩個脈沖寬度的差值產(chǎn)生差分輸出電壓。

5.2 差分放大器優(yōu)勢

隨著邏輯電源不斷縮小，差分模擬信號處理越來越受到系統(tǒng)設(shè)計師的青睞。LM4674采用兩個全差分放大器，能夠放大兩個輸入信號的差值，相比傳統(tǒng)單端輸入的音頻功率放大器，可提高6dB的信噪比。同時，全差分放大器還具有更好的共模抑制比（CMRR），能減少對與地偏移相關(guān)的噪聲注入的敏感度，在嘈雜的系統(tǒng)中尤為重要。

5.3 功率耗散與效率

與AB類放大器相比，D類放大器的主要優(yōu)勢在于效率更高。LM4674的效率得益于輸出級晶體管的工作區(qū)域，其輸出級作為電流轉(zhuǎn)向開關(guān)，與AB類放大器相比，功耗可忽略不計。輸出級的大部分功率損耗主要是由于MOSFET導通電阻（RDS(ON)）的IR損耗以及柵極電荷引起的開關(guān)損耗。

5.4 關(guān)機功能使用

LM4674具有獨立的左右聲道關(guān)機控制功能，通過SDR和SDL分別控制右聲道和左聲道。為了在關(guān)機狀態(tài)下實現(xiàn)最小電流消耗，最好在接地和VDD之間切換。當關(guān)機電壓在GND和VDD之間時，空閑電流會大于典型的0.03μA值，此時可在SD_引腳旁并聯(lián)一個0.1μF的電容。此外，關(guān)機輸入引腳有內(nèi)部下拉電阻，為了最小化關(guān)機電流，SD_應接地或浮空。

5.5 單端音頻放大器配置

LM4674與單端信號源兼容。在配置為單端輸入時，需要使用輸入電容來阻擋設(shè)備輸入處的任何直流分量。

5.6 電源旁路與濾波

適當?shù)碾娫磁月穼τ诘驮肼曅阅芎透唠娫匆种票龋≒SRR）至關(guān)重要。應將電源旁路電容盡可能靠近設(shè)備放置，典型應用中會使用帶有10μF和0.1μF旁路電容的電壓調(diào)節(jié)器來提高電源穩(wěn)定性，但這并不意味著可以省略LM4674電源引腳的旁路電容，建議使用1μF的電容。

5.7 輸入電容選擇

在某些應用中，或者當音頻源為單端時，可能需要使用輸入電容。輸入電容可以阻擋音頻信號的直流分量，避免音頻源的直流分量與LM4674的偏置電壓產(chǎn)生沖突。同時，輸入電容與輸入電阻Ri構(gòu)成高通濾波器，可去除音頻信號中的低頻成分，保護小揚聲器免受低頻損壞，并過濾掉電源噪聲。建議使用容差為10%或更好的電容，以實現(xiàn)阻抗匹配并提高CMRR和PSRR。

5.8 PCB布局指南

隨著輸出功率的增加，放大器、負載和電源之間的互連電阻（PCB走線和導線）會產(chǎn)生電壓降，影響輸出功率和效率。為了保持最高的輸出電壓擺幅和相應的峰值輸出功率，連接輸出引腳到負載和電源引腳到電源的PCB走線應盡可能寬，以最小化走線電阻。使用電源和接地平面可以獲得最佳的THD+N性能，同時還能減少走線電阻，并通過寄生電容幫助過濾電源線。此外，由于換能器負載的電感特性可能導致過沖，產(chǎn)生電磁干擾（EMI），因此應盡量縮短電源和輸出走線，并進行良好的屏蔽。必要時，可在LM4674輸出端附近放置鐵氧體芯片電感來減少EMI輻射。

六、總結(jié)

LM4674作為一款高性能的無濾波立體聲D類音頻功率放大器，憑借其豐富的特性、出色的性能和靈活的設(shè)計，在手機、PDA、筆記本電腦等便攜式設(shè)備中具有廣闊的應用前景。在實際設(shè)計過程中，電子工程師們需要充分了解其各項特性和參數(shù)，合理選擇外部組件，優(yōu)化PCB布局，以充分發(fā)揮LM4674的優(yōu)勢，為用戶帶來更優(yōu)質(zhì)的音頻體驗。大家在使用LM4674的過程中，有沒有遇到過什么有趣的問題或者獨特的應用場景呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。