LM4902音频功率放大器：技术解析与应用指南
一、引言
在当今的电子设备中，音频功能已成为不可或缺的一部分。从手机到便携式音频播放器，高质量的音频输出需求日益增长。LM4902作为一款由德州仪器（TI）推出的音频功率放大器，以其出色的性能和低功耗特性，在众多便携式音频应用中得到了广泛应用。本文将深入解析LM4902的技术特点、性能参数、应用电路以及设计要点，希望能为电子工程师们在音频功率放大器的设计和应用中提供有价值的参考。
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二、LM4902简介
2.1 产品概述
LM4902是一款桥接式音频功率放大器，能够在3.3V电源下，向8Ω负载提供265mW的连续平均功率，且总谐波失真加噪声（THD+N）不超过1%。它属于Boomer™音频功率放大器系列，专为在低电源电压下提供高质量输出功率而设计，同时所需的外部组件极少。
2.2 产品特点
- 无需外部组件：VSSOP和WSON封装，无需输出耦合电容、自举电容或缓冲电路。
- 热关断保护：内置热关断保护电路，防止芯片因过热而损坏。
- 单位增益稳定：具有单位增益稳定性，可确保放大器在各种增益设置下稳定工作。
- 外部增益配置：支持外部增益配置，用户可根据需求灵活调整放大器的增益。
- “咔嗒声和噗噗声”抑制：采用最新一代的“咔嗒声和噗噗声”抑制电路，有效减少开关机时产生的噪声。
2.3 应用场景
- 手机：为手机提供高质量的音频输出，满足用户对音乐、视频等音频体验的需求。
- 个人数字助理（PDA）：增强PDA的音频功能，使其具备更好的多媒体性能。
- 便携式音频设备：适用于各种便携式音频设备，如MP3播放器、便携式音箱等。
三、关键规格参数
3.1 总谐波失真加噪声（THD+N）
- 在3.3V电源、8Ω负载、265mW连续平均输出功率、1kHz频率下，THD+N最大值为1.0%。
- 在5V电源、8Ω负载、675mW连续平均输出功率、1kHz频率下，THD+N最大值为1.0%。
3.2 关断电流
典型关断电流为0.1μA，可有效降低系统功耗。
3.3 其他参数
| 还包括输入电压范围、存储温度范围、功率耗散等参数，具体如下表所示： | 参数 | 数值 |
|---|---|---|
| 电源电压 | 6.0V（绝对最大额定值），2.0V - 5.5V（工作电压） | |
| 存储温度 | -65°C 至 +150°C | |
| 输入电压 | -0.3V 至 VDD + 0.3V | |
| 功率耗散 | 内部限制 | |
| ESD敏感度 | 2000V（人体模型），200V（机器模型） | |
| 结温 | 150°C |
四、典型应用电路
4.1 电路原理图
4.2 外部组件说明
- Ri：反相输入电阻，与RF共同设置闭环增益，同时与Ci构成高通滤波器。
- Ci：输入耦合电容，阻挡放大器输入端子的直流电压，与Ri构成高通滤波器。
- RF：反馈电阻，与Ri共同设置闭环增益。
- Cs：电源旁路电容，提供电源滤波。
- CB：旁路引脚电容，提供半电源滤波。
五、典型性能特性
5.1 THD+N与频率的关系
不同电源电压和负载电阻下，THD+N随频率的变化曲线如图4 - 13所示。从这些曲线可以看出，在一定频率范围内，THD+N保持在较低水平，说明LM4902具有良好的频率响应特性。
5.2 THD+N与输出功率的关系
不同电源电压和负载电阻下，THD+N随输出功率的变化曲线如图14 - 25所示。这些曲线展示了LM4902在不同输出功率下的失真情况，有助于工程师选择合适的工作点。
5.3 输出功率与电源电压的关系
不同负载电阻下，输出功率随电源电压的变化曲线如图26 - 29所示。通过这些曲线，工程师可以根据所需的输出功率选择合适的电源电压。
5.4 其他性能特性
还包括功率耗散与输出功率的关系、电源抑制比与频率的关系等性能特性曲线，这些曲线为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据。
六、设计要点
6.1 热设计
LM4902的NGL封装具有较低的热阻，可将芯片产生的热量快速传导到PCB上。为了实现最佳的热性能，应将DAP焊接到PCB上的铜焊盘，并通过两个过孔将其连接到内层或背面的铜散热区域。同时，应尽量增大散热面积，以提高芯片的散热效率。
6.2 电源旁路
正确的电源旁路对于低噪声性能和高电源抑制比至关重要。旁路电容应尽可能靠近芯片的电源引脚和旁路引脚，以减少电源噪声的影响。建议使用10μF和0.1μF的旁路电容，以提高电源的稳定性。
6.3 关断功能
LM4902具有关断引脚，可通过外部信号控制放大器的偏置电路，从而实现低功耗模式。在关断模式下，芯片的功耗极低，可有效延长电池的使用寿命。建议将关断引脚连接到明确的电压，以避免不必要的状态变化。
6.4 外部组件选择
- 输入电容：应根据所需的低频响应选择合适的输入电容大小。较大的输入电容可耦合低频信号，但会增加系统成本和尺寸，同时可能导致开关机时产生“咔嗒声和噗噗声”。建议选择0.1μF - 0.39μF的输入电容。
- 旁路电容：旁路电容CB对减少开关机时的“咔嗒声和噗噗声”至关重要。建议选择1.0μF或更大的旁路电容，以确保芯片在开关机时无噪声。
6.5 音频功率放大器设计示例
以设计一个300mW/8Ω音频放大器为例，工程师首先需要根据输出功率和负载阻抗确定最小电源电压，然后计算所需的差分增益，并选择合适的外部组件。具体步骤如下：
- 确定最小电源电压：通过输出功率与电源电压的关系曲线或计算所需的Vopeak，确定最小电源电压为3.5V。考虑到实际应用中5V是标准电源电压，因此选择5V作为电源电压。
- 计算差分增益：根据输出功率和输入电压，计算所需的差分增益为2。
- 选择外部组件：根据差分增益和输入阻抗，选择Ri = RF = 20kΩ；根据带宽要求，选择Ci = 0.39μF。
七、总结
LM4902作为一款高性能的音频功率放大器，具有诸多优点，如无需外部组件、热关断保护、单位增益稳定、外部增益配置等。它适用于各种便携式音频设备，能够为用户提供高质量的音频输出。在设计应用电路时，工程师需要充分考虑热设计、电源旁路、关断功能、外部组件选择等因素，以确保放大器的性能和稳定性。希望本文能为电子工程师们在LM4902的设计和应用中提供有益的帮助。
你在使用LM4902的过程中遇到过哪些问题？或者你对音频功率放大器的设计有什么独特的见解？欢迎在评论区分享交流。