LM4990音频功率放大器：特性、应用与设计要点

在当今的便携式电子设备领域，音频功率放大器扮演着至关重要的角色。德州仪器（TI）的LM4990音频功率放大器以其卓越的性能和丰富的特性，成为了移动电话、PDA等便携式设备的理想选择。本文将深入探讨LM4990的特性、应用、电气参数以及设计要点，希望能为电子工程师们在实际设计中提供有价值的参考。

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一、LM4990概述

LM4990是一款专为移动电话和其他便携式通信设备应用而设计的音频功率放大器。它能够在5V直流电源下，向8Ω BTL负载提供1.25瓦的连续平均功率，向4Ω BTL负载（NGZ和DGQ型号）提供2瓦的连续平均功率，且失真率（THD+N+N）小于1%。其设计目标是在使用最少外部组件的情况下，提供高质量的输出功率，非常适合对功耗要求严格的低电压应用。

二、主要特性

2.1 封装形式多样

LM4990提供了多种节省空间的封装形式，包括WSON、Exposed - DAP MSOP - PowerPAD、VSSOP和DSBGA。不同的封装形式可以满足不同应用场景的需求，为工程师在设计电路板时提供了更大的灵活性。

2.2 超低电流关断模式

该放大器具有超低电流关断模式，典型关断电流仅为0.1µA（最大值为2.0µA）。这一特性使得在设备不使用音频功能时，能够显著降低功耗，延长电池续航时间。而且，用户可以根据需要选择高电平或低电平逻辑来启动关断模式，增加了设计的灵活性。

2.3 改善的咔嗒声和噗噗声抑制电路

LM4990内置了先进的咔嗒声和噗噗声抑制电路，能够有效消除在开机和关机过渡过程中产生的噪声。这对于提升音频质量至关重要，避免了在音频播放开始和结束时出现令人不悦的杂音。

2.4 无需输出耦合电容等组件

该放大器不需要输出耦合电容、缓冲网络或自举电容，简化了电路设计，减少了电路板空间和成本。同时，由于没有输出耦合电容，避免了因电容带来的额外功耗和可能对扬声器造成的损坏。

2.5 单位增益稳定和外部增益配置能力

LM4990是单位增益稳定的，并且可以通过外部增益设置电阻进行配置。这使得工程师可以根据具体应用需求灵活调整放大器的增益，以获得最佳的音频性能。

三、应用领域

LM4990的主要应用领域包括移动电话、PDA和其他便携式电子设备。在这些设备中，对音频质量和功耗都有较高的要求，而LM4990正好能够满足这些需求。例如，在移动电话中，它可以为用户提供清晰、响亮的音频播放效果，同时不会过多消耗电池电量。

四、关键规格参数

4.1 电源抑制比（PSRR）

在217Hz和1kHz时，PSRR分别达到62dB，这表明该放大器对电源纹波具有良好的抑制能力，能够减少电源噪声对音频信号的干扰。

4.2 输出功率

• 在5.0V电源、1% THD+N条件下，4Ω负载（NGZ和DGQ型号）的典型输出功率为2W，8Ω负载的典型输出功率为1.25W。
• 在3.0V电源、1% THD+N条件下，4Ω负载的典型输出功率为600mW，8Ω负载的典型输出功率为425mW。

4.3 关断电流

典型关断电流为0.1µA，最大值为2.0µA，确保在关断状态下功耗极低。

五、电气特性

5.1 静态电源电流（IDD）

在不同负载条件下，静态电源电流有所不同。例如，在无负载、输入电压为0V时，典型电流为3mA（最大值为7mA）；在8Ω负载、输入电压为0V时，典型电流为4mA（最大值为10mA）。

5.2 关断电压输入高（VSDIH）和低（VSDIL）

在不同的关断模式（VSD MODE = VDD或GND）下，VSDIH和VSDIL的典型值分别为1.5V和1.3V，这些参数用于控制放大器的关断状态。

5.3 输出失调电压（VOS）

典型值为7mV，最大值为50mV，输出失调电压的大小会影响音频信号的准确性。

5.4 输出电阻（ROUT）

从输出引脚到地的电阻典型值在8.5 - 9.7kΩ之间（最大值），最小值为7.0kΩ。

六、典型性能特性

6.1 总谐波失真加噪声（THD+N+N）与频率和输出功率的关系

通过一系列的图表可以看出，THD+N+N与频率和输出功率密切相关。在不同的电源电压（如5V、3V、2.6V）和负载阻抗（如4Ω、8Ω）条件下，THD+N+N的变化趋势不同。一般来说，随着频率的升高和输出功率的增大，THD+N+N会有所增加。工程师在设计时需要根据具体的应用需求，选择合适的工作点，以确保音频失真在可接受的范围内。

6.2 电源抑制比（PSRR）与频率的关系

PSRR与频率的关系曲线显示，在不同的电源电压和负载阻抗条件下，PSRR随频率的变化而变化。在低频段（如217Hz和1kHz），PSRR较高，说明放大器对低频电源纹波的抑制能力较强。随着频率的升高，PSRR会逐渐下降。因此，在设计电源电路时，需要采取措施减少高频电源纹波的影响。

6.3 功率耗散与输出功率的关系

功率耗散与输出功率的关系曲线表明，随着输出功率的增加，功率耗散也会增加。在设计放大器时，需要注意最大内部功率耗散，避免超过器件的最大结温（TJMAX = 150°C）。可以通过增加铜箔面积来降低热阻，提高功率耗散能力。

七、应用信息

7.1 桥接配置解释

LM4990采用了桥接模式配置，内部有两个运算放大器。第一个放大器的增益可以外部配置，第二个放大器为单位增益反相配置。通过差分驱动负载，桥接模式可以提供两倍的输出摆幅，在相同条件下，输出功率是单端放大器的四倍。同时，由于差分输出Vo1和Vo2偏置在半电源电压，负载两端没有净直流电压，因此不需要输出耦合电容。

7.2 功率耗散计算

功率耗散是设计放大器时需要重点考虑的问题。对于LM4990，最大内部功率耗散是单端放大器的4倍。最大功率耗散可以通过功率耗散曲线或公式 (P{DMAX}=4times(V{DD})^{2}/(2pi^{2}R_{L})) 计算。为了确保器件正常工作，需要保证最大结温不超过150°C，可以通过增加铜箔面积来降低热阻。

7.3 电源旁路

正确的电源旁路对于放大器的低噪声性能和高电源抑制比至关重要。旁路电容和电源引脚的电容应尽可能靠近器件。典型应用中会使用5V稳压器、10µF钽电容或电解电容以及陶瓷旁路电容来辅助电源稳定，但仍然需要对LM4990的电源节点进行旁路。旁路电容的选择取决于PSRR要求、咔嗒声和噗噗声性能、系统成本和尺寸限制等因素。

7.4 关断功能

LM4990的关断功能可以通过关断引脚和关断模式引脚来控制。在NGZ和DGQ型号中，用户可以选择高电平或低电平逻辑来启动关断模式；而DGK型号则固定为低电平关断。为了获得最佳性能，建议将关断引脚在电源和地之间切换。在实际应用中，可以使用微控制器或微处理器的输出信号来控制关断电路，也可以使用单掷开关和外部上拉或下拉电阻来避免关断引脚浮空。

7.5 外部组件的正确选择

7.5.1 增益选择

LM4990是单位增益稳定的，为了最小化THD+N+N值和最大化信噪比，应采用低增益配置。低增益配置需要较大的输入信号才能获得给定的输出功率，输入信号可以来自音频编解码器等。

7.5.2 输入耦合电容（Ci）

输入耦合电容Ci会形成一阶高通滤波器，限制低频响应。选择合适的Ci值需要考虑系统成本、尺寸和咔嗒声性能。较大的Ci值虽然可以耦合低频信号，但会增加成本和空间，并且在设备启动时容易产生噗噗声。因此，应根据实际需要的低频响应来选择最小的Ci值。

7.5.3 旁路电容（CB）

旁路电容CB对于最小化开机噗噗声至关重要，它决定了LM4990的开机速度。较慢的输出电压上升速度可以减少噗噗声，建议选择CB = 1.0µF，同时搭配较小的Ci值（0.1 - 0.39µF），以实现几乎无咔嗒声和噗噗声的关断功能。

八、音频功率放大器设计实例

8.1 1W/8Ω音频放大器设计

• 确定电源电压：通过参考输出功率与电源电压的关系曲线，选择5V作为电源电压，以确保有足够的余量来处理音频信号的峰值，避免产生可听失真。
• 计算所需增益：根据公式 (A{VD} geq sqrt{(P{0}R{L})/(V{IN})}) 计算所需的差分增益，这里选择 (A_{VD}=3)。
• 确定电阻值：根据所需的输入阻抗（20kΩ）和增益，确定 (R{i}=20kΩ)，(R{f}=30kΩ)。
• 考虑带宽要求：根据带宽要求（100Hz - 20kHz ± 0.25dB），计算出 - 3dB频率点 (f{L}=20Hz) 和 (f{H}=100kHz)，进而确定输入耦合电容 (C_{i}) 的值。

8.2 更高增益音频放大器设计

如果需要闭环差分增益大于10，可能需要添加反馈电容（C4）来限制放大器的带宽，避免高频振荡。例如，选择 (R{3}=20kΩ) 和 (C{4}=25pF) 的组合，可以在不影响音频频段的情况下消除高频振荡。

九、总结

LM4990音频功率放大器以其丰富的特性、出色的性能和灵活的设计选项，为电子工程师在便携式电子设备音频设计中提供了一个优秀的解决方案。在实际设计过程中，工程师需要充分考虑放大器的各种参数和特性，合理选择外部组件，优化电路设计，以确保获得高质量的音频输出和良好的系统性能。同时，要注意功率耗散和热管理问题，避免器件因过热而损坏。希望本文的介绍能帮助工程师更好地理解和应用LM4990，设计出更优秀的音频产品。

大家在使用LM4990进行设计时，有没有遇到过一些独特的问题或者有什么特别的设计技巧呢？欢迎在评论区分享交流。