深入解析LM4916音频放大器：特性、应用与设计要点

在音频放大器领域，TI的LM4916是一款备受关注的产品。它以其独特的性能和特性，在便携式音频产品和电子设备中有着广泛的应用。今天，我们就来深入了解一下这款音频放大器。

文件下载：LM4916LD NOPB.pdf

一、LM4916概述

LM4916是一款集单声道差分输出（用于桥接负载或BTL）音频功率放大器和单端（SE）立体声耳机放大器功能于一体的芯片。它能在单节1.5V电源下工作，单声道BTL模式可在1% THD + N的条件下向8Ω负载提供85mW的功率；单端立体声耳机模式下，每个声道可在1% THD + N的条件下向16Ω负载提供14mW的功率。其采用MM和WSON封装，具有低外形和小尺寸的优点，能有效减少PCB面积并最大化输出功率。

二、特性亮点

电源适应性

LM4916支持单节0.9V至2.5V电池供电，这使得它在不同电源环境下都能稳定工作，非常适合便携式设备的需求。例如，在一些使用单节电池的小型音频设备中，它能充分发挥其电源适应性的优势。

输出模式多样

它具备BTL模式用于单声道扬声器，以及单端耳机操作模式。BTL模式能提供更高的输出功率，而单端耳机模式则能满足立体声输出的需求。这种多样化的输出模式，使得LM4916可以应用于不同的音频场景。

抑制“咔嗒”和“噗噗”声

芯片内置了“咔嗒”和“噗噗”声抑制电路，能有效减少设备开启和关闭时产生的输出瞬态噪声，为用户带来更纯净的音频体验。

低功耗模式

具有低电流、低电平有效静音模式和微功耗关断模式。在微功耗关断模式下，典型电流仅为0.02µA，大大降低了设备的功耗，延长了电池的使用时间。

过热保护

内置热关断保护电路，当芯片温度过高时，会自动关断，保护芯片不受损坏，提高了设备的可靠性。

三、应用领域

LM4916主要应用于便携式单节音频产品和电子设备，如便携式音乐播放器、小型蓝牙音箱等。这些设备通常对功耗和体积有较高的要求，而LM4916正好能满足这些需求。

四、关键规格参数

输出功率

• 单声道BTL输出功率（(R{L}=8 Omega)，(V{DD}=1.5 V)，(THD + N = 1%)）：典型值为85mW。
• 立体声耳机输出功率（(R{L}=16 Omega)，(V{DD}=1.5 V)，(THD + N = 1%)）：典型值为14mW。

关断电流

微功耗关断电流典型值为0.02µA，这一低电流特性使得设备在不工作时能最大程度地降低功耗。

电源电压范围

电源电压工作范围为(0.9 V < V_{DD} < 2.5 V)，保证了芯片在不同电源电压下的正常工作。

电源抑制比（PSRR）

在1kHz、(V_{DD}=1.5 V)时，PSRR典型值为66dB，这意味着芯片能有效抑制电源纹波对音频信号的干扰。

五、工作模式及配置

单端（SE）配置

在单端模式下，LM4916内部有两个可外部配置增益的运算放大器。通过选择(R{f})与(R{i})的比值来设置闭环增益，公式为(A{VD}=-left(R{f} / R_{i}right))。每个输出端（VoA和VoB）使用耦合电容，SE/BTL引脚（Pin 8）接地。这些输出耦合电容能阻挡输出放大器通常偏置的半电源电压，并将音频信号耦合到耳机或其他单端负载。

桥接（BTL）配置

BTL模式下，LM4916同样有两个内部运算放大器。第一个放大器的增益可外部配置，第二个放大器应外部固定为单位增益反相配置。第一个放大器的闭环增益通过选择(R{f})与(R{i})的比值设置，第二个放大器的增益由两个外部20kΩ电阻固定。通过输出Vo1和Vo2差分驱动负载，形成“桥接模式”。这种模式的优势在于能提供差分驱动，在相同电源电压下输出摆幅翻倍，输出功率可达单端放大器的四倍。

模式选择

LM4916可配置为单端或BTL模式，上电默认状态为单端模式。在初始上电或从关断状态恢复时，芯片通过检测SE/BTL引脚的状态来确定工作模式。当偏置电压上升到60mV（在旁路引脚处）时，内部比较器检测SE/BTL状态，并在10mV时锁定该值。BTL模式的偏置电压上升速度比单端模式快约11倍。在这个时间段（(T{wU})）内，关断命令无效，且(V{DD})的压摆率必须大于2.5V/ms以确保可靠的上电复位（POR）信号。

六、设计要点

功率耗散

功率耗散是设计放大器时的重要考虑因素。LM4916在桥接模式下，由于向负载输送的功率增加，内部功率耗散也会相应增加。其最大内部功率耗散是单端放大器的4倍。可通过功率耗散图或公式(P{DMAX }=4timesleft(V{DD}right)^{2} /left(2 pi^{2} R{L}right))计算BTL应用的最大功率耗散；单端模式下，最大功率耗散点可由公式(P{DMAX}=left(V{DD}right)^{2} /left(2 pi^{2} R{L}right))计算。同时，最大功率耗散不能超过(P{DMAX }=left(T{JMAX }-T{A}right) / theta{JA})的计算结果，否则需要降低电源电压、增加负载阻抗或降低环境温度。

外部组件选择

• 增益设置：LM4916是单位增益稳定的，建议在低增益配置下使用，以最小化THD + N值并最大化信噪比。增益设置电阻(R{i})和(R{f})的值应小于1MΩ。
• 输入电容：为了放大最低音频频率，需要高值的输入耦合电容(C{i})。但高值电容可能成本较高且会影响便携式设计的空间效率。考虑到便携式系统中耳机对低频信号的再现能力有限，建议选择较小值的(C{i})（0.1uF至0.47uF），以减少成本和尺寸，并缩短开启时间。
• 旁路电容：旁路电容(C{B})的值对LM4916的开启时间和开启时的“咔嗒”声有重要影响。选择(C{B}=4.7uF)并结合较小值的(C_{i})，可实现无“咔嗒”和“噗噗”声的关断功能。
• 减少外部组件：在较高增益设置下操作LM4916可以减少外部组件的使用。例如，BTL配置中增益大于8V/V时，输出电容(C{O})可省略；单端配置中增益大于4V/V时，输出电容(C{O 2})和输出电阻(R_{O})可省略。

优化“咔嗒”和“噗噗”声抑制性能

LM4916内部有消除开启和关断瞬态噪声的电路。当旁路引脚的(V{DD} / 2)电压上升到最终值时，内部放大器配置为单位增益缓冲器。内部电流源以受控、线性的方式对连接在旁路引脚和地之间的电容充电。改变(C{B})的大小会改变设备的开启时间，不同(C_{B})值对应的典型开启时间如下：	(C_{B})（µF）	单端模式开启时间（ms）	BTL模式开启时间（ms）
0.1	117	72
0.22	179	79
0.47	310	89
1.0	552	112
2.2	1140	163
4.7	2400	283

为了消除“咔嗒”和“噗噗”声，开启前所有电容必须放电。快速切换(V_{DD})可能导致电容无法完全放电，从而产生噪声。

七、总结

LM4916以其丰富的特性、广泛的应用领域和灵活的配置方式，成为便携式音频设备设计中的理想选择。在设计过程中，我们需要充分考虑功率耗散、外部组件选择和“咔嗒”声抑制等要点，以确保设备的性能和稳定性。你在使用LM4916的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。