LM4863M/TR

LM4863 双 2.2W 音频放大和立体声耳机功能 1、概 述 LM4863是双桥接的音频功率放大器。当电源电压为 5V 时，在保证总谐波失真、噪声失真之 和小于 1.0%的情况下，可向 4Ω负载提供 2.2W 的输出功率或者可向 3Ω负载提供 2.5W 的输出功 率。另外，当驱动立体声耳机时，耳机输入端允许放大器工作在单端模式。 该系列音频功率放大器为表面贴装电路，极少的外围元器件，高品质的输出功率。对于简单的音 频系统设计，LM4863片内集成了双桥扬声器放大和立体声耳机放大。 LM4863 电路的特点为外部控制，低功耗关断模式，立体声耳机放大模式，和内部过热保护，并 且在电路中减少了“开机浪涌脉冲” 。 LM4863主要应用于多媒体监视器、便携式和台式电脑、便携式电视。 主要特点如下：  立体声耳机放大模式  “开机浪涌脉冲”抑制电路  单位增益稳定  过热保护电路  封装形式：DIP16 / SOP16 / TSSOP20 关键参数：  PO 为 1% THD+N  LM4863LQ 负载为 3Ω,4Ω 典型为 2.5W,2.2W  LM4863MTE负载为 3Ω，4Ω 典型为 2.5W,2.2W  LM4863MTE负载为 8Ω 典型为 1.1W  LM4863 典型为 1.1W  单端模式（在 75mW、32Ω时）THD+N  关断电流  工作电压范围 负载为 8Ω 0.5%（最大） 典型为 0.7µA 2.0V~5.5V 2、引脚排列图 SOP16 (DIP16) http://www.hgsemi.com.cn TSSOP20 1 2018 AUG LM4863 3、电特性 3.1、 极限参数 除非另有规定，Tamb=25℃ 参 数 名 称 额 定 值 单 位 电源电压 6.0 V 输入电压 -0.3~VDD+0.3 V 存储温度 -65~+150 ℃ 功耗 内部限制 ESD 电压（人体模式） 2000 V ESD 电压（机器模式） 200V V 150 ℃ -40~+85 ℃ 结温 工作温度 焊接温度（10 秒） DIP 封装 245 ℃ SOP 封装 250 ℃ θJC-M16B 热阻 20 ℃/W θJA- M16B 80℃/W ℃/W θJC- M16A 20℃/W ℃/W θJA- M16A 63℃/W ℃/W θJC-MTC20 20℃/W ℃/W θJA-MTC20 80℃/W ℃/W θJC-MXA20A 2℃/W ℃/W 3.2、电气参数 电气参数(整个电路)（VDD=5V,TA=25℃） 符号 VDD IDD 参数 条件 LM4863 典型 电源电压 VIN=0V，IO=0A，HP-IN=0V 11.5 VIN=0V，IO=0A，HP-IN=4V 5.8 VDD 与 SHUTDOWN 脚相连 0.7 静态功率电源电流 单位 极限 (极限） 2 5.5 V(min) V(max) 20 6 mA(max) mA(min) mA 2 µA(min) ISD 关断电流 VIH 耳机高电平输入电压 4 V(min) VIL 耳机低电平输入电压 0.8 V(max) http://www.hgsemi.com.cn 2 2018 AUG LM4863 电气参数(电路工作在桥接模式)（VDD=5V,TA=25℃） 符号 VOS 参数 输出偏移电压 条件 VIN=0V LM4863 单位 典型 极限 (极限) 5 50 mV(max) 1.0 W W W W W(min) THD+N=1%，f=1kHz LM4863MTE ， RL=3Ω LM4863LQ ， RL=3Ω LM4863MTE ， RL=4Ω PO 输出功率 LM4863LQ ， RL=4Ω LM4863 ， RL=8Ω THD+N=10%，f=1kHz LM4863MTE ，RL=3Ω LM4863LQ ， RL=3Ω LM4863MTE ，RL=4Ω LM4863LQ ， RL=4Ω RL=8Ω LM4863 ， 2.5 2.5 2.2 2.2 1.1 3.2 3.2 2.7 2.7 1.5 0.34 W W W W W W 0.3 0.3 0.3 % % % 67 dB THD+N=1%，f=1kHz，RL=32Ω 20Hz≤f≤20KHz，AVD=2 THD+N 总谐波失真和噪 LM4863MTE，RL=4Ω，PO=2W 声 LM4863LQ， RL=4Ω，PO=2W LM4863， VDD=5V, RL=8Ω，PO=1W RL=8 Ω ， CB=1.0µF, PSRR 电源纹波抑制比 XTALK 通道隔离度 f=1KHz，CB=1.0µF 90 dB SNR 信噪比 VDD=5V，RL=8Ω，PO=1.1W 98 dB VRIPPLE=200mVRMS 电气参数(电路工作在单端模式)（VDD=5V,TA=25℃） 符号 VOS 参数 输出偏移电压 条件 VIN=0V THD+N=0.5%, f=1kHz, RL=32Ω PO 输出功率 THD+N=1%, f=1kHz, RL=8Ω THD+N=10%, f=1kHz, RL=8Ω 单位 典型 极限 (极限) 5 50 mV(max) 85 340 440 75 mW(min) mW mW 0.2 % VRIPPLE=200mVRMS,f=1kHz，CB=1.0µF 52 dB 通道隔离度 f=1KHz，CB=1.0µF 60 dB 信噪比 VDD=5V，RL=8Ω，PO=340 mW 95 dB 总谐波失真和噪 20Hz≤f≤20KHz，AV=-1， 声 RL=32Ω，PO= 75mW PSRR 电源纹波抑制比 XTALK SNR THD+N LM4863 http://www.hgsemi.com.cn 3 2018 AUG LM4863 4、典型性能参数 4.1、MTE 封装详细参数 http://www.hgsemi.com.cn 4 2018 AUG LM4863 4.2、Non-MTE 封装详细参数 http://www.hgsemi.com.cn 5 2018 AUG LM4863 http://www.hgsemi.com.cn 6 2018 AUG LM4863 http://www.hgsemi.com.cn 7 2018 AUG LM4863 http://www.hgsemi.com.cn 8 2018 AUG LM4863 http://www.hgsemi.com.cn 9 2018 AUG LM4863 5、典型应用线路与应用说明 5. 1、应用线路图 VDD + Cs Rf 1.0uF Tant 20KΩ 4,13 Co 100uf 6 -IN A CB 0.33uF Control Pin 1KΩ To HP-IN Circuit RL 8Ω 20KΩ 20KΩ 20KΩ 50KΩ 10 Bypass -OUT A 5 Amp1A 8 +IN A VDD/2 +OUTA Amp2A 50KΩ SLEEVE VDD 20KΩ 20KΩ 20KΩ Rf To Control Pin on 100KΩ Headphone Jack -OUT B 12 Amp1B 9 +INB 20KΩ 100KΩ TIP HEADPHONE JACK Co 100uf 11 -INB Ri 20KΩ 1 Shutdown +OUTB Amp2B 16 HP-IN RING 3 Audio Input Ci 1uF + Ri 20KΩ + Ci Audio Input 1uF RL 8Ω 1KΩ 14 GND 2，7，15 5. 2、应用说明 外接元器件说明 元器件 功能说明 1、Ri 反相输入端电阻，和 Rf 构成闭环增益。Rf 和 Ci 形成高通滤波器，fc=1/（2πRi Ci） 2、Ci 在放大器输入端的输入耦合电容，隔离 DC 电压。Ci 和 Rf 形成高通滤波器， fc=1/（2πRi Ci） 3、Rf 反馈电阻，和 Rf 设置闭环增益 4、Cs 电源旁路电容。 5、CB 电容，对 BYPASS 端的 1/2 电源电压滤波。 应用信息 1.桥式配置说明 如图(1)所示，LM4863内部有两对运算放大器，形成两个通道（通道 A 和通道 B）的立体声放大器。 （以下为 A 通道的论述，同时也适合于 B 通道。 ）放大器 Amp1A 的增益是外部配置结构决定，闭环 增益通过配置 Rf 和 Ri 的来决定，而放大器 Amp2A 被两个 20kΩ的内部电阻固定增益为-1，构成倒相 http://www.hgsemi.com.cn 10 2018 AUG LM4863 装置。驱动的负载如扬声器便连接于 LM4863两个放大器-OUTA 和+OUTA 输出端之间。图(1)表明放 大器 Amp1A 的输出作为放大器 Amp2A 的输入，这样导致两个放大器产生幅值相同信号，但相位相 差 180°。利用相位不同，当负载连接于-OUTA 和+OUTA 输出端之间且为差动输入时（通常被称作 “桥式模型” ），该 IC 的差动增益为： AVD=2(Rf / Ri) （1） 桥式模型放大器的运行不同于单终端放大器结构，在单终端结构中负载的一端接放大器的输出而另一 端接地。桥式放大器设计比单终端结构有一些明显的优点：当它给负载提供差动驱动时，负载两端的 电压为单终端情况下的两倍。因此，在相同条件下，假定放大器没有电流限制或断路，可获得的输出 功率中，这种增加导致输出功率可能是单终端放大器的 4 倍。当选定一个的放大器闭环增益时，为了 不引起过分失真（过分失真将会损坏扬声器系统中的高频率传感器），对电路的设计有一定的要求， 请参考“音频功率放大器设计”部分。 放大器桥式结构优于单终端的第二个优点是，由于 A 通道和 B 通道的差动输出均在半供给中偏 置，通过负载不存在净直流电压，这就消除了单电源、单终端模式下存在的输出耦合电容。单电源 、 单终端放大器中，则需通过负载的半供给偏置来消除输出耦合电容，这样便会导致内部 IC 功耗的增 加，以及扬声器永久性损坏。 2.功耗 要设计一个成功的放大器，无论这个放大器是桥式还是单终端式，功耗都应该重点考虑。等式（2） 表明单终端放大器在给定电源电压、驱动一定的负载时最大输出功率为： PDMAX=（VDD）²/（2π²RL） （单终端） （2） 然而，桥式放大器中传递给负载的功率增大也导致内部功耗的增加。由于 LM4863的一个通道中含有 两个运算放大器，所以桥式工作模式的最大内部功耗是单终端模式的 4 倍。等式（3）表明桥式放大 器在给定 5V 电源电压、驱动 4Ω的负载时最大输出功率单通道为 1.27W 或立体模式（双通道）为 2.54W。 PDMAX=4×（VDD）²/（2π²RL） （桥式） （3） 从等式（3）中计算得的最大功耗点一定不会比等式（4）的功耗点大： PDMAX=（TJMAX-TA）/θJA （4） 2 由于 LM4863 的 TJMAX=150℃，LQ（LLP）封装中焊接到与 PCB 上 5in 铜片连接的 DAP 衬垫的热阻 θJA 为 20℃/W，而 MTE 封装中焊接到与 PCB 上 2in2 铜片连接的 DAP 衬垫的热阻θJA 为 41℃/W。 依赖于系统周围的环境温度 TJA，所以等式（4）可用以决定由 IC 组件支持的最大内部功耗。重新整 理等式（4）并代入 PDMAX 得到等式（5） ，该等式表明在 LM4863的结温不变时，环境温度也随音频系 统输出功率有所变化。 TA=TJMAX-2×PDMAXθJA （5） http://www.hgsemi.com.cn 11 2018 AUG LM4863 对于 5V 电源 4Ω负载的典型应用，在不超过最大结温及能输出最大音频功率情况下最大可能环境温 度 LLP 封装为 99℃而 MTE 封装为 45℃。 TJMAX=PDMAXθJA+TA （6） 等式（6）给出了最大结温 TJMAX。如这个结果影响到 LM4863的θJA 至 150℃，通过减小工作电压或 提高负载阻抗达到减小最大结温，再进一步可通过环境温度补偿来实现。 以上所述均假定器件运行在最大功耗点附近。由于内部功耗是输出功率的函数，当输出功率减小 时，环境温度可进一步提高。 参考典型性能特征曲线，该曲线显示了低输出功率的功耗信息。如果等式（2）的结果大于等式 （3）的结果，则要么是电源电压降低要么是负载阻抗增加或环境温度减小。如这些调节还不够，则 需增加一散热铜片来减小θJA。散热片附加包在管芯外，与电源、地及放大器的输出端连接。与外部 焊接到 SMT 散热片可用 7106D 热合金也会改善功耗。当增加有散热片时，θJA 便是θJC、θCS 和 θSA 的总和（θJC 为结与外壳的热阻，θCS 为外壳与散热片的热阻，θSA 为散热片与环境的热阻）。 3.电源旁路 对于任何功率放大器，适当的电源旁路对于低噪声性能和高电源抑制是非常关键的。典型运用中， 使用一个5V的调节器，这个调节器具有一个10μF和一个0.1μF的旁路电容，有助于电源稳定，降低 输入噪声和改善电源瞬态响应，尽管如此也不能去掉LM4863旁路中电源与地间的1.0μF的钽电容，而 且这个钽电容不能用陶瓷电容替代，否则输出信号就不太稳定。在电源和地间连接电容的导线及内部 连线应尽可能缩短。在管脚BYPASS与地间连接一个1μF的电容CB可改善内部偏置电压的稳定性和提 高放大器的抑制比PSRR，当CB 增大时PSRR也随之提高，但CB 增加太大则会影响放大器的降噪性 能。旁路电容的选择，特别是CB，依赖于低频PSRR、降噪性能（参见“外部构件的正确选取”部分）、 系统成本和尺寸等条件。 4.低功耗关断功能 加在管脚SHUTDOWN的逻辑高低电平控制LM4863 的关断功能，当加在该管脚的电压为VDD时便激活了 低功耗关断功能，此时关断放大器的偏置电路，工作电流减到最小，所加的逻辑高电平最低为VDD/2。 当接近电源电压的逻辑高电平加在管脚SHUTDOWN上时，就产生一个0.7μA的典型静态电流。若加的逻 辑高电平低于电源电压，则关断电流会增大。 有几种方法可以实现低功耗关断功能，包括用单极、单掷开关进行切换，用微控制器或微处理器 输出来控制关断电路。如果开关的切换来实现，则需在管脚SHUTDOWN与VDD间连上一个10kΩ的上拉电 阻或管脚SHUTDOWN直接连到地。当管脚SHUTDOWN接地时放大器正常工作。当打开通过上拉电阻与VDD 接 的开关时，关断功能就启动。开关及上拉电阻确保管脚SHUTDOWN不会悬空，以免出现我们不希望的不 定状态。一些系统中用微控制器或微处理器输出信号给管脚SHUTDOWN来控制关断功能，代替用到上拉 电阻的关断电路。 http://www.hgsemi.com.cn 12 2018 AUG LM4863 表1 SHUTDOWN和HP-IN操作的逻辑真值表 SHUTDOWN HP-IN PIN 工作模式 低 逻辑低 桥式放大 低 逻辑高 单终端放大 高 逻辑低 低功耗关断 高 逻辑高 低功耗关断 5.HP-IN 的功能 给 HP-IN 加上一个 4V～VDD 的电压可关断运算放大模块 Amp2A 和 Amp2B，使桥式连接的负载 失效。当此 IC 处于单终端工作模式时静态电流也会随之减小。 图 2 为耳机控制功能工作示意图，当没有耳机插头接入插孔时，R1-R2 分压电阻使提供到 HP-IN 管脚（16 脚）的电压近似为 50mV，驱动 Amp1B 和 Amp2B 处于工作状态，使 LM4863工作于桥式模 式。输出耦合电容隔离半供给直流电压，起到保护耳机的作用。 输入 HP-IN管脚的电压为 4V。当LM4863工作于桥式模式时，实质上负载两端的电压为0V。因此甚 至为理想状态下，难以引发放大器处于单终端输出的工作模式。耳机接入耳机插孔使得耳机插孔与 -OUTA分离并使R1上接HP管脚的电压至VDD。这样耳机关断功能把Amp2A和Amp2B给关断且桥式连 接的扬声器就不工作了，放大器便驱动输出耦合阻抗为 R2和 R3的耳机，当耳机阻抗为典型值 32Ω 时，输出耦合阻抗R2、R3对LM4863输出驱动能力的影响可忽略不计。 LM4863 图2 http://www.hgsemi.com.cn 13 2018 AUG LM4863 图 2 也是耳机插孔的电性连接关系示意图，插孔为一组三线插头的设计，尖端和环分别为立体双 声道的一个信号输出，然而最外端的环为地。当连接耳机时有一个控制端连接的耳机插孔足以驱动 HP-IN 管脚。一个微处理器或开关可以代替耳机插孔中连接控制端的功能，微处理器或开关向 HP-IN 提供 4V～VDD 的电压，这样连接扬声器的桥式模式便停止工作且 Amp1A 和 Amp2A 分别驱动耳机的 左、右声道。 6.外部组件的正确选取 适当的选取外部组件可优化 LM4863 的性能，所以增大外部组件的容差可使 LM4863 能更好的工 作，优化外部组件的取值达到最佳性能。 LM4863 的整体增益稳定，使设计师的设计机动性很大，可根据不同的应用需求从外部配置电路 的整体增益。这使得放大器具备最小的 THD+N 和最大的 SNR。这两个参数与闭环增益的提高互相抑 制。然而，低增益时要想输出功率最大则需输入信号的摆幅较大。还好，大部分信号源如多媒体数字 。关于选择适当的增益其更多的信息请参见“音频功 音频信号源提供的输出电压为 1VRMS（2.83VP-P） 率放大器设计”部分。 （1）输入电容的选取 放大低频音频信号需要较大的输入电容（图1中的Ci）在便携式设计的配件中高值电容较昂贵且 损害到器件的工作效率。然而在许多情况下，便携式系统中无论是内部还是外部，都有少许还原低于 150Hz信号的能力。用输入大电容可使放大扬声器的应用中低频响应极限获得一些改善。 此外，Ci 影响系统的成本和尺寸，对 LM4863 的滴答声和爆裂声这一性能也有影响。当电压第一 次加上时，产生一个瞬态的爆裂信号使电荷充电到电容，电容便从 0 跃变到一个静态状态。当大量的 爆裂声输入时则需要输入电容尺寸较大，二者成比例关系。当电流一定时要达到静态直流电压（通常 为 VDD/2）大电容则需要更长的时间。放大器的输出通过反馈电阻加载到输入电容。所以，通过适当选取 不高于必要的-3dB 频率的输入电容可以使爆裂声减到最小。 如图1所示，输入电阻RI 和输入电容CI产生一个-3dB高通滤波器可由等式（7）得到。 f 3dB  1 2R IN C I （7） 由等式（4）可知，低频极限为150Hz的扬声器应用实例中，CI为0.063μF。图1所示的1.0μF可使 LM4863驱动高效、大范围、频响低于30Hz的扬声器。 （2）旁路电容的选取 此外，仔细考虑与BYPASS管脚相连的电容CB可使输入电容的尺寸减到最小。因为CB决定LM4863 静态工作点的稳定性，所以当开启有爆裂的输入信号时它的值非常关键。LM4863的输出倾斜到静态直 流电压（即VDD/2）越慢，则开启的爆裂声越小。选取1.0的CB且Ci 为小电容（0.1μF到0.39μF的范围）， 则可得到一个“滴答声”和“爆裂声”都较小的关断功能。鉴于以上讨论，选取可满足带宽需要的、不太 大的Ci有助于使“滴答声”和“爆裂声”减到最小。 7. 优化降噪性能 LM4863包含有使开启或关断的瞬态值或“滴答声和爆裂声”减到最小的电路。讨论中开启指的是电源 http://www.hgsemi.com.cn 14 2018 AUG LM4863 电压的加载或撤消关断模式。当电源电压逐渐升至最终值时，LM4863的内部放大器就好比配置成整体 增益的缓冲器一样，内部电流源加载一个受线性方式约束的电压到BYPASS管脚。理论上输入和输出 的电压高低将随加到BYPASS管脚的电压而改变。直到加载至BYPASS管脚的电压升到VDD/2，内部放 大器的增益保持整体稳定。加载到BYPASS管脚上的电压一稳定，整个器件就处于完全工作状态。虽 然不能改变BYPASS管脚的电流，但CB的改变可以改变器件的开启时间和大量的“滴答声和爆裂声”。 无论如何，从这种现象中得到一种权衡：CB增大，开启电压便随之增大，且二者成线性关系。以下是 不同的CB值及其对应的开启时间。 CB TON 0.01μF 20ms 0.1μF 200ms 0.22μF 440ms 0.47μF 940ms 1.0μF 2sec 为了消除噪声，所有的电容须在开启前放电。迅速的关闭电闸不能使电容完全放电反而导致“滴 答声和爆裂声”。在单终端工作模式中，输出通过COUT连接到负载，通常这个电容较大，它通过20kΩ 的内部电阻放电。COUT的放电时间持续长短依赖于它的尺寸大小，为了减小单终端模式下瞬态响应的 影响，在外部配置一个与内部20kΩ电阻并联的1kΩ～5kΩ的电阻，但这个电阻会增大静态电流。 8.无负载的稳定性 当负载电阻超过10kΩ且输出信号幅值接近于电源电压时，LM4863 会出现低级的振动现象，可通 过在输出管脚和地间连接一个 5kΩ的电阻来防止这种振动现象。 9.音频功率放大器的设计 （1）设计一个 8Ω负载 1W 功率的音频放大器 给定条件： 输出功率 1Wrms 负载阻抗 8Ω 输入电平 1Vrms 输入阻抗 20kΩ 带宽 100HZ-20kHZ±0.25dB 设计者必须首先确定所需的电源范围，以获得规定的输出功率。一种方法是从“典型性能特性”部 分中的“输出功率-电源电压”曲线图，可以很容易推出电源范围。确定所需电源范围的第二种方式是给 定负载阻抗时用等式（4）计算所需的 VOPEAk。为了估算放大器的内部消耗电压，基于特征性能“消耗 电压-电源电压”曲线图，根据等式（8）得到的结果必须外加两个电源电压以补偿。这样，工作电压如 等式（9）的所示结果。 http://www.hgsemi.com.cn 15 2018 AUG LM4863 VOPEAk＝(2RLPO) （8） VDD≥(VOUTPEAk+(VODTOP+VODBOG)) （9） 从“输出功率-电源电压”曲线图中可见负载为8Ω时最小工作电源电压为4.6V，通常电源电压为5V即 这个条件很容易满足。额外的电源电压产生动态空间，允许LM4863产生一个峰值超过1W而没有断碎 的可听失真信号。同时设计者必须选定电源电压的和输出阻抗不能超过在“功耗”部分所阐述的条件。 一旦功耗因素满足条件后，所要求的差动增益就可由等式（10）确定。 AVD  PO RL /(VIN )  Vorms / Vinrms （10） 由等式（10）得最小的AVD=2.83，这使LM4863具备低噪声、低THD+N且输出较理想性能，在此应用 实例中取AVD=3。 放大器的增益由输入电阻Ri及反馈电阻Rf的配置决定，当输入阻抗为20kΩ时，由等式（11）可得到反 馈电阻的阻值。 Rf/Ri＝AVD／2 （11） 由于要求输入阻抗为 20 kΩ，且 AVD=3，Rf/Ri=1/1.5，由此可得 Rf 的值是 30 kΩ。 最后的设计是确定-3dB 频率带宽规格。要达到放大±0.25dB 的大量音频信号，则要求低频响应至少 扩充了最低带宽频率限制点的 1/5 或最高带宽频率限制点的 5 倍，当带宽限制为 0.17dB 时，能满足这 两个要求，这比所要求的±0.25dB 要好。这就使得低频和高频极点分别为 fL=100Hz/5=20Hz （12） 和 FH=20kHz×5=100kHz （13） 如在“外部组件”部分所描述的，Ri和Ci 连接形成一个高通滤波器以截止低频率信号。可从等式（14） 得出所连接电容的值。 Cj  1 2Ri f C （14） 结果为 1∕(2л﹡20kΩ﹡20Hz)＝0.398µF （15） 该电容取最接近标准值的0.39μF。产品的高频极值fH（在此例中为100kHz）和差动增益AVD决定高频 响应的频率点。由AVD=3，fH=100kHZ可得闭环增益带宽（GBWP）是300kHZ，这比LM4863的3.5MHz 的GBWP小得多。这个容限范围表明，该放大器也适用于要求更多差动增益且具备消除带宽限制的特 征。 http://www.hgsemi.com.cn 16 2018 AUG