LM4666滤无输出滤波器高效率立体声开关音频放大器解析

在电子设备不断追求小型化和高效化的今天，音频放大器作为重要的组成部分，其性能和设计也面临着更高的要求。TI公司的LM4666滤无输出滤波器高效率立体声开关音频放大器，以其独特的设计和出色的性能，在移动设备等领域得到了广泛的应用。下面，我们就来深入了解一下这款放大器。

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特性与应用

特性亮点

• 无需输出滤波器：对于电感式换能器，LM4666无需输出滤波器，这一特性大大减少了外部元件数量，简化了电路设计，降低了PCB面积需求，同时也降低了成本。
• 可选增益：提供6dB或12dB的可选增益，可根据不同的应用需求灵活调整，增加了设计的灵活性。
• 快速开启时间：典型开启时间仅为6ms，能够快速响应音频信号，满足实时音频播放的需求。
• 低外部元件数量：仅需少量外部元件即可工作，进一步降低了成本和PCB面积。
• “咔嗒声和噗噗声”抑制电路：有效减少音频信号中的噪声和干扰，提高音频质量。
• 微功耗关断模式：在不使用时，可将电流消耗降低至极低水平，延长电池续航时间。
• 短路保护：具备短路保护功能，可防止因输出短路而损坏芯片，提高了系统的可靠性。
• 节省空间的封装：采用NHK0014A封装，体积小巧，适合用于对空间要求较高的应用。

应用领域

LM4666适用于多种便携式电子设备，如移动电话、PDA等。这些设备通常对体积、功耗和音频质量有较高的要求，而LM4666正好能够满足这些需求。

关键规格

效率表现

• 在3V电源、100mW功率输入到8Ω换能器时，典型效率为79%。
• 在3V电源、450mW功率输入到8Ω换能器时，典型效率为84%。
• 在5V电源、1W功率输入到8Ω换能器时，典型效率为85%。

从这些效率数据可以看出，LM4666在不同的电源电压和输出功率下都能保持较高的效率，这对于便携式设备来说至关重要，可以有效降低电池功耗，延长设备的使用时间。大家在实际应用中，是否遇到过因放大器效率不高而导致设备发热严重或续航时间短的问题呢？

其他参数

• 总静态电源电流典型值为7.0mA，在关断模式下，总关断电源电流典型值仅为0.02µA，这充分体现了其低功耗的特点。
• 单电源范围为2.8V至5.5V，具有较宽的电源电压适应范围，方便与不同的电源系统配合使用。

工作原理与设计特点

创新调制器

LM4666采用了创新的调制器，消除了典型开关放大器所需的LC输出滤波器。这种设计不仅减少了元件数量，简化了电路设计，还降低了PCB面积。同时，它采用的delta - sigma调制技术处理模拟输入，与传统的脉冲宽度调制器相比，可降低输出噪声和总谐波失真（THD）。

差分放大器设计

随着逻辑电源电压不断降低，为了在有限的电压摆幅下保持良好的信噪比，越来越多的设计师采用差分模拟信号处理技术。LM4666是一款全差分放大器，具有差分输入和输出级。它通过放大两个输入信号之间的差值来工作，相比传统的单端输入音频功率放大器，可将信噪比提高6dB。此外，它还支持直流输入耦合，可省去两个外部交流耦合、直流阻断电容。即使作为单端输入放大器使用，也能保留全差分的优势，并且可以处理完全不相关的输入信号。差分放大器的另一个重要优势是具有更好的共模抑制比（CMRR），能够降低对接地偏移相关噪声注入的敏感度，这在高噪声应用中尤为重要。大家在设计音频电路时，是否考虑过差分放大器的这些优势呢？

性能与应用注意事项

功率耗散与效率

效率是衡量音频放大器性能的重要指标之一，它是指有用功输出与产生该输出所需总能量的比值，差值即为通常在芯片中耗散的功率。对于音频系统来说，可听频段内传递的能量被视为有用能量，包括输入信号的失真产物，而次声波（直流）和超声波（>22kHz）成分则是无用的。LM4666的功率耗散非常低，这是因为用于形成输出波形的开关导通电阻通常小于0.25Ω，多余的输入功率主要由换能器负载消耗，芯片本身只消耗一小部分，因此不需要额外的PCB面积或铜箔平面作为散热片。

PCB布局考虑

在设计PCB时，需要注意一些因素以确保LM4666的性能。随着输出功率的增加，放大器、负载和电源之间的互连电阻（PCB走线和导线）会产生电压降。LM4666与负载之间的走线电阻会导致输出功率降低和效率下降，电源与LM4666之间的走线电阻过高会产生类似电源稳压不良的效果，增加电源线上的纹波，同样会降低峰值输出功率。为了保持最高的输出电压摆幅和相应的峰值输出功率，连接输出引脚到负载和电源引脚到电源的PCB走线应尽可能宽，以减小走线电阻。

此外，LM4666输出的上升和下降沿非常短，典型值约为2ns，这可能会导致电磁干扰（EMI）问题。由于换能器负载的电感特性，还可能在边缘产生过冲，通过寄生二极管钳位到GND和VDD。为了减少EMI辐射，应尽量缩短功率和输出走线，并尽可能进行良好的屏蔽。使用接地平面、磁珠和微带布局技术等都有助于防止不必要的干扰。随着LM4666与扬声器之间距离的增加，EMI辐射会增加，可能需要在靠近LM4666的位置放置铁氧体芯片电感来降低辐射，其具体值需要根据实际应用确定。大家在PCB布局时，是否有遇到过EMI问题呢？是如何解决的呢？

电源旁路

与任何功率放大器一样，正确的电源旁路对于低噪声性能和高电源抑制比（PSRR）至关重要。旁路电容CS应尽可能靠近LM4666放置。典型应用中会使用带有10µF和0.1µF旁路电容的电压调节器来提高电源稳定性，但这并不能替代LM4666电源引脚上的旁路电容，建议使用1µF钽电容。

关断功能

为了在不使用时降低功耗，LM4666内置了关断电路，可将电流消耗降低至小于0.01µA。关断触发点在电气特性表和典型性能特性部分的关断滞后电压图中给出。为了在关断状态下实现最小的电流消耗，最好在接地和电源之间进行切换。如果使用介于接地和电源之间的关断电压来禁用LM4666，空闲电流会大于典型值，并且在播放模式下，关断引脚电压小于VDD时可能会观察到THD增加。此外，LM4666的GND和关断引脚之间连接有一个内部电阻，其作用是在关断引脚浮空时消除不必要的状态变化。为了在关断状态下最小化电源电流，应将关断引脚接地或浮空。如果关断引脚未接地，可通过公式计算由于内部关断电阻而产生的额外电阻电流。

增益选择功能

LM4666具有固定的可选增益，可减少外部元件数量，增加设计的灵活性和简便性。对于6dB的差分增益，增益选择引脚应永久连接到VDD或驱动到逻辑高电平；对于12dB的差分增益，增益选择引脚应永久连接到GND或驱动到逻辑低电平。在放大器处于播放模式并驱动负载时，可以切换增益，而不会损坏芯片。为了避免输出出现可听噪声，应快速在GND（逻辑低）和VDD（逻辑高）之间切换增益选择引脚的电压。典型的增益选择阈值电压可参考典型性能特性部分的增益阈值电压图。

电路配置与测量

电路配置

文档中给出了两种电路配置示例，分别是单端输入低增益选择配置和差分输入低增益选择配置。这些配置可以根据实际需求进行选择，以满足不同的应用场景。

参考设计板

参考设计板上除了应用电路所需的最少元件外，还提供了一个测量滤波器，方便进行常规音频测量，无需额外设备。该滤波器是一个平衡输入、接地差分输出的低通滤波器，3dB频率约为35kHz，板上带有300Ω的端接电阻。需要注意的是，电容性负载元件接地，虽然这对于共模抑制不是最优的，但由于每个输出的独立脉冲格式，输出上存在大量高频共模成分，接地电容性滤波元件可以在板上衰减该成分，降低对分析仪器的高频CMRR要求。

测量注意事项

即使使用接地滤波器，音频信号仍然是差分的，因此连接到它的任何分析仪器都需要具有差分输入。大多数带有BNC连接器的实验室仪器通常不是差分响应的，因为BNC的环通常接地。常用的Audio Precision分析仪是差分的，但它准确抑制160ns宽快速脉冲的能力值得怀疑，因此需要板上的测量滤波器。当需要单端信号时，可使用音频信号变压器将差分输出转换为单端输出，但要注意根据音频变压器的特性，可能会对音频信号产生一定的衰减，在测量性能时需要考虑这一点。在测量滤波器输出端进行的测量相对未滤波的主输出会有衰减，即使在音频频率下也是如此，这是由于电感器的电阻与端接电阻（300Ω）相互作用导致的，通常约为-0.35dB（4%），即通过测量滤波器指示的电压水平和相应功率水平会略低于未滤波输出及其负载上实际发生的水平。

综上所述，LM4666是一款性能出色、设计灵活的立体声开关音频放大器，适用于多种便携式电子设备。在设计应用时，需要充分考虑其各项特性和注意事项，以确保系统的性能和可靠性。大家在使用LM4666或其他类似音频放大器时，还有哪些经验或问题可以分享呢？欢迎在评论区留言讨论。