探索LM4674：高效无滤波立体声D类音频功率放大器

在音频设备的设计领域，一款性能卓越的音频功率放大器往往能为产品带来质的飞跃。今天，我们就来深入了解德州仪器（TI）推出的LM4674无滤波2.5W立体声D类音频功率放大器，看看它究竟有哪些独特之处。

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一、LM4674概述

LM4674是一款单电源、高效的2.5W/通道无滤波开关音频放大器。它采用低噪声PWM架构，无需输出滤波器，这不仅减少了外部组件数量，降低了电路板面积消耗和系统成本，还简化了设计过程。该放大器专为满足手机和其他便携式通信设备的需求而设计，能够在单5V电源下，为4Ω负载提供每通道2.5W的连续输出功率，且总谐波失真加噪声（THD+N）小于10%，同时其电源电压范围灵活，可在2.4V至5.5V之间工作。

二、核心特性剖析

2.1 保护与控制特性

• 输出短路保护：这一特性能够防止设备在故障条件下受损，大大提高了设备的可靠性和稳定性。在实际应用中，短路情况可能由于各种原因发生，如线路故障、负载异常等，有了输出短路保护，就可以避免放大器因短路而损坏。
• 独立关机控制：LM4674具备独立的左右声道关机控制功能，通过SDR控制右声道，SDL控制左声道，可分别禁用每个声道。在混合单声道/立体声应用中，这种独立控制能够最大程度地节省功率。例如，在某些场景下只需要使用单声道音频时，就可以关闭另一个声道，降低功耗。
• 微功耗关机：关机电流典型值仅为0.03μA，这使得设备在不工作时能够消耗极低的电量，延长电池续航时间，对于便携式设备来说至关重要。

2.2 音频性能特性

• 无输出滤波器：传统的音频放大器通常需要输出滤波器来去除高频噪声，但LM4674采用无滤波调制方案，减少了外部组件数量，节省了电路板空间和成本。同时，其输出以300kHz的开关频率在VDD和GND之间转换，在无信号输入时，各通道输出以50%的占空比同相切换，使两个输出相互抵消，在空闲状态下负载无电流通过。
• 逻辑可选增益：通过G0和G1引脚可选择四种增益设置，分别为6dB、12dB、18dB和24dB，满足不同应用场景下对音频增益的需求。例如，在不同的音频源或负载条件下，可以根据实际情况选择合适的增益，以获得最佳的音频效果。
• 咔嗒声和爆音抑制：该特性能够有效消除电源开启/关闭和关机期间的可听瞬态噪声，提供更纯净的音频输出。在实际使用中，这些噪声会严重影响音频体验，而LM4674的咔嗒声和爆音抑制功能则解决了这一问题。

2.3 封装特性

LM4674提供了节省空间的2mm x 2mm x 0.6mm DSBGA和4mm x 4mm x 0.8mm WQFN封装，适合对空间要求较高的便携式设备设计。

三、关键规格参数

3.1 效率

• 在3.6V电源下，向8Ω负载输出100mW功率时，效率典型值为80%；输出500mW功率时，效率典型值为85%。
• 在5V电源下，向8Ω负载输出1W功率时，效率典型值为85%。

3.2 静态电源电流与输出功率

• 在3.6V电源下，静态电源电流典型值为4mA。
• 在VDD = 5V、RL = 4Ω、THD ≤ 10%的条件下，输出功率典型值为2.5W。

3.3 关机电流

关机电流典型值为0.03μA，体现了其低功耗的特点。

四、电气特性详解

4.1 输出偏移电压与静态电流

在VIN = 0、VDD = 2.4V至5.0V的条件下，差分输出偏移电压典型值为5mV。在不同电源电压和负载条件下，静态电源电流也有所不同，例如在VIN = 0、RL = ∞、双声道激活、VDD = 3.6V时，静态电源电流典型值为4mA；VDD = 5V时，典型值为5mA。

4.2 增益设置

通过G0和G1引脚的不同组合，可以实现四种增益设置：	G1	G0	V/V	dB
0	0	2	6
0	1	4	12
1	0	8	18
1	1	16	24

4.3 输出功率与失真

在不同电源电压、负载和THD条件下，输出功率有所差异。例如，在VDD = 5V、RL = 15μH + 4Ω + 15μH、THD ≤ 10%、f = 1kHz、22kHz带宽的条件下，输出功率典型值为2.5W；在VDD = 3.6V时，典型值为1.2W。同时，在PO = 500mW、f = 1kHz、RL = 8Ω的条件下，总谐波失真典型值为0.07%。

4.4 电源抑制比与共模抑制比

在不同的纹波电压和频率条件下，电源抑制比（PSRR）和共模抑制比（CMRR）表现出色。例如，在VRIPPLE = 200mV P - P正弦波、fRIPPLE = 217Hz、输入交流接地、Ci = 1μF、输入参考的条件下，PSRR典型值为75dB；在VRIPPLE = 1V P - P正弦波、fRIPPLE = 1kHz、输入交流接地、Ci = 1μF、输入参考的条件下，PSRR同样为75dB。在VRIPPLE = 1V P - P、fRIPPLE = 217Hz的条件下，CMRR典型值为67dB。

五、应用信息与设计要点

5.1 放大器功能原理

LM4674采用无滤波调制方案，输出以300kHz的开关频率在VDD和GND之间转换。无信号时，各通道输出以50%的占空比同相切换，使两个输出相互抵消，负载无电流通过；有输入信号时，输出的占空比会根据信号变化，通过两个脉冲宽度的差值产生差分输出电压。

5.2 差分放大器优势

随着逻辑电源不断缩小，差分模拟信号处理越来越受到系统设计师的青睐。LM4674采用两个全差分放大器，能够放大两个输入信号的差值，相比传统单端输入的音频功率放大器，可提高6dB的信噪比。同时，全差分放大器还具有更好的共模抑制比（CMRR），能减少对与地偏移相关的噪声注入的敏感度，在嘈杂的系统中尤为重要。

5.3 功率耗散与效率

与AB类放大器相比，D类放大器的主要优势在于效率更高。LM4674的效率得益于输出级晶体管的工作区域，其输出级作为电流转向开关，与AB类放大器相比，功耗可忽略不计。输出级的大部分功率损耗主要是由于MOSFET导通电阻（RDS(ON)）的IR损耗以及栅极电荷引起的开关损耗。

5.4 关机功能使用

LM4674具有独立的左右声道关机控制功能，通过SDR和SDL分别控制右声道和左声道。为了在关机状态下实现最小电流消耗，最好在接地和VDD之间切换。当关机电压在GND和VDD之间时，空闲电流会大于典型的0.03μA值，此时可在SD_引脚旁并联一个0.1μF的电容。此外，关机输入引脚有内部下拉电阻，为了最小化关机电流，SD_应接地或浮空。

5.5 单端音频放大器配置

LM4674与单端信号源兼容。在配置为单端输入时，需要使用输入电容来阻挡设备输入处的任何直流分量。

5.6 电源旁路与滤波

适当的电源旁路对于低噪声性能和高电源抑制比（PSRR）至关重要。应将电源旁路电容尽可能靠近设备放置，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，但这并不意味着可以省略LM4674电源引脚的旁路电容，建议使用1μF的电容。

5.7 输入电容选择

在某些应用中，或者当音频源为单端时，可能需要使用输入电容。输入电容可以阻挡音频信号的直流分量，避免音频源的直流分量与LM4674的偏置电压产生冲突。同时，输入电容与输入电阻Ri构成高通滤波器，可去除音频信号中的低频成分，保护小扬声器免受低频损坏，并过滤掉电源噪声。建议使用容差为10%或更好的电容，以实现阻抗匹配并提高CMRR和PSRR。

5.8 PCB布局指南

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，影响输出功率和效率。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，以最小化走线电阻。使用电源和接地平面可以获得最佳的THD+N性能，同时还能减少走线电阻，并通过寄生电容帮助过滤电源线。此外，由于换能器负载的电感特性可能导致过冲，产生电磁干扰（EMI），因此应尽量缩短电源和输出走线，并进行良好的屏蔽。必要时，可在LM4674输出端附近放置铁氧体芯片电感来减少EMI辐射。

六、总结

LM4674作为一款高性能的无滤波立体声D类音频功率放大器，凭借其丰富的特性、出色的性能和灵活的设计，在手机、PDA、笔记本电脑等便携式设备中具有广阔的应用前景。在实际设计过程中，电子工程师们需要充分了解其各项特性和参数，合理选择外部组件，优化PCB布局，以充分发挥LM4674的优势，为用户带来更优质的音频体验。大家在使用LM4674的过程中，有没有遇到过什么有趣的问题或者独特的应用场景呢？欢迎在评论区分享交流。