LM4871：3W单声道AB类音频功率放大器的设计与应用

在音频功率放大器的领域中，LM4871这款3W单声道AB类音频功率放大器凭借其出色的性能和广泛的适用性，成为了众多电子工程师设计移动设备等低电压、低功耗应用方案时的理想选择。下面，我们就来深入了解一下LM4871的相关特性、应用以及设计要点。

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一、产品特性

1. 工作电压范围广

LM4871的工作电压为1.9 - 5.5V，这种较宽的电压范围使得它能够适应多种不同的电源环境，为设计带来了更大的灵活性。在5V电源供电情况下，以BTL桥接方式，能给4Ω负载提供THD小于10%、平均3.0W的输出功率，满足了大多数音频设备对功率的需求。

2. 噪声抑制技术

采用创新的“开关/切换噪声”抑制技术，有效杜绝了上电、掉电时出现的噪声，为用户提供了更加纯净的音频体验。这对于对音质要求较高的应用场景，如蓝牙音响、收音机等，尤为重要。

3. 低功耗设计

在关断模式下，电流典型值小于0.5μA，大大降低了设备在不使用时的功耗，延长了电池的使用寿命，非常适合移动电话等移动设备的应用。

4. 过温保护

具备过温保护功能，当芯片温度过高时，能够自动采取保护措施，防止芯片因过热而损坏，提高了设备的可靠性和稳定性。

5. 多种封装形式

提供SOP - 8、ESOP - 8、DIP - 8、MSOP - 8、EMSOP - 8和DFN - 8等多种封装形式，用户可以根据实际需求选择合适的封装，节约电路面积，满足不同的设计要求。

二、应用领域

LM4871的应用范围十分广泛，常见的应用场景包括：

• 移动电话：为手机等移动设备提供高质量的音频输出，满足用户对音乐、通话等音频功能的需求。
• 扩音器、蓝牙音响：能够为这些设备提供足够的功率，实现高保真的音频播放。
• 收音机：确保收音机在不同的信号强度下都能输出清晰、稳定的声音。
• GPS、电子狗、行车记录仪：在这些设备中，为语音提示等功能提供良好的音频效果。
• 语音玩具：让语音玩具发出更加生动、清晰的声音，增加玩具的趣味性。

三、封装及引脚配置

LM4871有多种封装形式，不同封装的引脚配置基本相同。其主要引脚包括：

• Shutdown：掉电控制管脚，高电平关功放。通过控制该引脚的电平，可以实现对放大器的开启和关闭，达到省电的目的。
• Bypass：内部共模电压脚，需要外接1μF旁路电容，对电源的旁路设计起到重要作用。
• +IN、 - IN：音频输入端，分别为正相和负相，用于输入音频信号。
• VO1、VO2：音频输出端，采用桥式接法，将放大后的音频信号输出到负载。
• VDD：电源正极，为芯片提供工作电压。
• GND：电源地，是电路的参考电位。

四、典型应用电路

1. 单端输入模式

在单端输入模式下，音频信号通过一个输入端输入到芯片，经过内部的放大电路处理后，从VO1和VO2输出到负载。这种模式适用于一些简单的音频应用场景。

2. 差分输入模式

差分输入模式下，音频信号通过+IN和 - IN两个输入端输入，能够有效抑制共模干扰，提高音频信号的质量。在对音质要求较高的应用中，差分输入模式更为常用。

五、设计要点

1. 外部电阻配置

运算放大器的增益由外部电阻Rf、Ri决定，其增益为 (Av = 2 × Rf / Ri)。在设计时，需要根据实际需求合理选择Rf和Ri的值，以获得合适的增益。例如，在设计一个输出功率为2.9W、负载阻抗为4欧姆、输入电平为1Vrms的电路时，可以计算得出AVD最小为2.83，选择 (AvD = 3)，进而计算得到 (Ri = 20K)， (Rf = 30K)。

2. 芯片功耗

差分输出的放大器的最大自功耗为： (P{DMAX} = 4 × (VDD)^{2} / (2 × Pi^{2} × R{L}))。在进行电路设计时，要注意芯片内部的节温不能高于TJMAX（150℃），可以通过增加散热铜铂、增大负载电阻、降低电源电压或降低环境温度等方法来解决散热问题。

3. 电源旁路

电源的旁路设计对放大器的噪声性能及电源电压抑制性能至关重要。要求旁路电容尽量靠近芯片、电源脚，典型的电容为10μF的电解电容并上0.1μF的陶瓷电容。另外，接BYP管脚的电容CB也是非常关键，影响PSRR、开关/切换噪声性能，一般选择0.1μF ~ 1μF的陶瓷电容。

4. Shutdown脚工作模式选择

Shutdown脚可以控制放大器是否工作。低电平时，芯片处于正常工作模式；高电平时，芯片进入掉电工作模式，关闭放大器，无输出信号，能有效减少能耗；空置时，芯片处于不定状态，不仅不能进入掉电模式，还可能对芯片造成不良影响，因此在芯片长期工作时，切忌让其处于悬空状态。

5. 外围元件的选择

正确选择外围元器件能够确保芯片的性能。LM4871在单位增益稳定，通常应用单位增益放大来降低THD + N，使信噪比最大化。输入耦合电容Ci决定了低频响应，选择过大的输入电容会增加成本和面积，且可能导致pop噪声出现，一般选择 (Ci = 0.1μF ~ 0.39μF) ，同时选择 (CB = 1μF) ，可以满足系统的性能要求。

六、设计参考实例

下面以一个具体的设计实例来说明LM4871的设计过程。设计规格要求输出功率为2.9W，负载阻抗为4欧姆，输入电平为1Vrms，输入电阻为20k，带宽为100Hz ~ 20KHz +/- 0.25dB。

1. 确定最小工作电压

根据LM4871的输出功率与电源电压的关系，确定电源电压应选择5.0V，以保证输出可以高于1W的功率而不失真。

2. 确定电压增益

要求AVD大于SQRT(PO × RL) / VIN，即Vorms / Vinrms，计算得出AVD最小为2.83，选择 (AvD = 3) ，进而计算得到 (Ri = 20K) ， (Rf = 30K) 。

3. 确定输入电容

根据带宽要求，输入低频的 - 3dB带宽为100Hz，取 (f{L} = 20Hz) ， (f{H} = 100KHz) ，可得Ci约0.39μF。高频点fH由放大器的GBW决定，至少要求GBW大于 (A{VD} × f{H} = 300KHz) ，远小于LM4871F的2.5MHz。

4. 其他注意事项

LM4871单位增益稳定，但如果增益超过10倍（20dB）时，额外的反馈电容 (C{f}) 需要并联在电阻Rf上，避免高频的振荡现象。例如，选择 (C{f}) 为25pF时，转折频率为320KHz，可以满足要求。

总之，LM4871是一款性能出色、应用广泛的音频功率放大器。电子工程师在设计过程中，只要充分了解其特性和设计要点，合理选择外围元件，就能够设计出高质量的音频电路。大家在实际应用中是否遇到过一些特殊的问题呢？欢迎分享交流。