LM4702是美国国家半导体公司推出的一款高保真音频功率放大驱动器件，是为对音质有高要求且需求大功率输出的消费者应用而设计的。放大器的输出功率大小可根据供给电压和输出设备数量的变化进行调整。采用LM4702设计的音频放大器每个声道能够在8Ω负载上输出超过300W 的功率。
    LM4702内含有过热保护电路，当温度超过150℃时它会停止工作。另外，LM4702有静音功能，启用后会减弱输入驱动信号，并使放大器输出变为静音状态。

一、功能特性
    LM4702共有3个等级，在应用程序和性能水平方面跨越了很大的范围。LM4702C针对高音质、大功率的应用；LM4702B(已有样品)可应用更高的工作电压；LM4702A (正在试验中)定位为最高端的应用，有着最高的工作电压。这3个等级都拥有超宽的工作电压，其中LM4702A为±20～±100V，LM4702B为±20～±100V，LM4702C为±20～±75V。其等效噪声为3uV，PSRR为110dB，THD为0.001％ 。除此之外，LM4702还拥有一些优异的特性，如输出功率可调节、外接元件少、外接补偿、热保护和静音等。它们可广泛用于汽车音响、AV家庭影院、Hi-Fi音响、舞台音响和工业控制等。
    图1为LM4702的外观和引脚，图2为LM4702的典型应用电路。图3为其THD+N与输出功率图。

  
 
图3 THD+N与输出功率图
(RL=8Ω，VSupply=±50VDc)

1.静音功能
    LM4702的静音功能由流入静音引脚的电流流量来控制。如果流入静音引脚的电流小于1mA，芯片处于静音状态。这可以通过短路到地或悬空静音引脚来实现。如果流入静音引脚的电流在1～2mA，芯片将处于播放模式。这可以通过电阻(Rm)将电源连接到静音引脚(Vmute)来实现。流入静音引脚的电流可以由公式
Imute=(Vmute-2.9)/Rm
来计算。例如，如果5V的电源通过1.4kΩ的电阻连接到静音引脚上，那么静音电流将为.5mA，在指定范围中。同样可以使用Vcc为静音脚供电，此时Rm需要相应地重新计算。目前不推荐使用流入静音引脚的电流大于2mA，因为这样LM4702可能会受到损坏。
    强烈推荐在静音与播放模式之间迅速转换这个功能，它可通过拨动开关实现，拨动开关一边连接到静音引脚，另一边通过电阻连接到地或电源上。缓慢增加静音电流可能会导致直流电压产生在LM4702的输出上，致使喇叭损坏。

2.热保护
    LM4702有完整的热保护系统来防止系统长时间工作所带来的热压。当芯片内部的温度超过150℃的时候，LM4702自动关闭，当芯片内部的温度降低到145℃时又开始工作，如果温度继续升高到150℃，芯片又继续关闭。因此，如果发生短暂故障，芯片允许发热到一定的高温，但如果是持续的故障，就有可能导致它工作在一个145℃ ～150℃的热开合工况下。这样一来，通过循环极大地减轻了芯片的热压力，从而大大改善了持续故障情况下的可靠性。因为晶圆温度与散热器的温度直接相关，所以散热器必须经过选择，以保证在正常状态下过热开关不会触发。如使用成本和空间所允许的最好散热器，则可以保证任何半导体设备长时间稳定地工作。

3.功耗和散热
    在播放模式时，它的工作电流是常量，与输入信号幅度无关。因此，功耗对于给定的电压是一定的，可以用公式PDMAX=Icc×(Vcc-Vee)来表示。对PDMAX的一个快速计算方法是：在电流约为25mA的时候，用整个电压与它相乘即可(电流在工作范围内会有微小的变化)。
    对高功率放大器的散热器进行选择完全是为了将晶圆的温度保持在一定的水平上，以保证在一定的水平上热保护系统不被触发。晶圆与外界空气间的热阻θJA(Junction to Ambient)与环境相关，它由3个热阻组成，分别为θJC(晶圆到封装外壳)、θCS(封装外壳到散热片)、θSA(散热片到环境)。θJC在LM4702中为0.8℃/W。使用耐热合金后，θCS大约为0.2 ℃/W。因为热流(功耗)类似于电流流动，所以热阻就像电阻，温度的降低就像电压下降。LM4702的功耗也可表示为
PDMAX=(TJMAx-TAMB)/θJA
当TJMAx=150℃时，TAMB是系统的环境温度，且θJA=θJC +θCS+ θSA散热片的最大热阻θSA为
θSA=[(TJMAX-TAMB)-PDMA×(θJC+θCS)]/PDMAX
    再次说明，θSA的数值与系统设计师对放大器的要求有关。如果放大器的环境温度高于25℃，那么在其他条件不变的情况下散热器的热阻需要更小一些。

4.外部器件的恰当选择
    为了满足应用的设计要求，应对外部器件进行恰当的选择。下面就来谈谈外围器件数值的选择将影响增益和低频响应。每个非反向放大器的增益都是由电阻Rf和Ri决定的，如图2所示。放大器的增益可表示为
Av=1+Rf/Ri
    为了获得最好的信噪比表现，可以使用更低的电阻值。Ri通常采用1kΩ，然后再根据设计的放大倍数来确定Rf的值。对于LM4702，放大倍数必须不小于26dB，如果小于26dB将是不稳定的。Ri与Ci串联(如图2所示)构成了一个高通滤波器，低频响应就由这两个元件来决定。这个-3dB的频率点可以由下式来得到
fi=1/(2πRiCi)
    如果一个输入耦合电容被用来阻断来自输入的直流，那里将会产生一个高通滤波器(CIN与RIN的结合)。当使用输入耦合电容时，必须用RIN来设置放大器输入端的直流偏置点。CIN与RIN结合后产生的-3dB频率响应可以由下式来表示
fIN=1/(2πRINCIN)
    当输入端悬空时，在输出端有可能会观测到RIN值的大幅变化。减小RIN的值或输入平稳就可以使这种变动消失。在RIN减小的时候，CIN应该相应加大以保证-3dB的频率响应不变。

5.用作双极性输出时避免热失控
    当对LM4702使用双极性晶体管作输出级的时候(如图2所示)，设计者必须注意热失控的问题。热失控是由于对Vbe(晶体管的固有性质)的温度依赖所造成的。当温度上升时，Vbe下降。实际上，电流流过双极性晶体管的时候加热了晶体管，但又降低了Vbe，这又反过来增加了电流强度，并且开始循环这个过程。如果系统没有恰当的设计，这种正反馈机制将会毁坏输出级的双极性晶体管。第一种推荐方法是在双极性输出晶体管上使用散热器来避免热失控，这将使晶体管的温度降低。
    第二种推荐方法是使用发射极负反馈电阻(Emitter DegenerationResistor，图2中的Re1、Re2、Re3、Re4)。当电流增加的时候，发射极负反馈电阻的电压也在增加，这样便可减小基极与发射极之间的电压。这种机制可以帮助限制电流，并中和热失控。
    第三种推荐的方法是使用一种“Vbe乘法器”来钳位双极性输出级，如图2所示。这种Vbe乘法器包括了一个双极性晶体管(Qmult,如图2所示)和两个电阻，一个从基极到集电极(图2中的Rb2和Rb4)，另一个从基极到发射极(图2中的Rb1和Rb3)。从集电极到发射极的电压(同时也是输出级的偏置电压)Vbias=Vbe(1+Rb2/Rb1)，这也就是为什么这个循环叫做Vbe乘法器的原因。当Vbe乘法器晶体管Qmult像双极性输出晶体管一样连接散热器时，它的温度将与输出晶体管的温度同步。它的Vbe也与温度有关，所以当输出晶体管使它变热时，它将吸收更多的电流。这将限制基极进入输出晶体管的电流，从而中和热失控。
    表1为LM4702 C工作电压在±75V 和±50V时的电气特性。表2为LM4702A、B工作电压在±100V时的电气特性。
表1 LM4702C的电气特性
(Imute=1.5mA，除非特别说明，否则TA=25℃)
 
 
注：1.典型值在25℃下测定，代表参数的标准。
2.测试范围保证美国国家半导体公司的平均出厂质量水平。
3.数据的最大/最小规格范围得到设计、测试和统计分析的保证。
二、LM4702功率放大器设计方案
    图5是LM4702的参考设计图。图6为其印板图。它在一些通用的关键参数上表现良好，例如THD+N(0.0006％)、SNR、频率响应、噪声和其他音频指标，并且获得了良好的测试结果。
1.印刷电路板布局
    与所有低噪声、高品质的电路板布局一样，需要特别注意LM4702功率放大器接地和电源电路设计布局。接地和电源的星形连接对音频电路板布局有非常好的应用效果。星形连接是从电路中每个元件出发的线路最后集中到某个中心点，图5所示的LM47O2示范板的布线图是一个很好的例子。注意，所有的接地线如何汇集在电路板左侧，Rs1和Rs2的附近，并且连接到电源连接器中心的两个接地针脚。连接到左右输出口的接地走线也汇集在星状接地的中心，它是电源连接器的中心，两个接地针脚也位于此处。
    接地走线的星状结构设计同样也可应用于电源电路。这一点在LM4702示范板的布线图上不太明显，因为左右输出级的电源连线完全通过示范板顶部分离的电缆进行连接。LM4702芯片的电源连接通过电路板底部的连接器来实现，星状接地的中心也连接到此处。这样便创建了一个有效的星状电源电路，其中有从每个输出级和LM4702连接到主要电源电容的分离线路。这个星状连接的主要原因是互补达林顿输出设备与LM4702的电源走线必须保持分离。如果不分离，输出级所输出的高压电流会影响甚至改变LM4702芯片的电源供应等级，从而增加失真，并给音频输出信号的质量带来负面影响。
    必须避免使用接地层和电源层。接地层是大面积的铜箔区域，通常用于数字电路板。所有的芯片将接地管脚连接到这个区域，而不是采用单独的走线连接到一个中心接地。在高保真放大器中，这会造成混乱的接地路径，对输出信号产生不利影响。例如，很容易听见的“嗡嗡”声就是由接地层的接地回路所产生的。
    设计接地线和电源线分离的印板需要花费相当多的布局设计时间，但是不会改变电路板的最终成本。如果能将电路板保持两层设计，而不是数字电路板中常见的多层设计，那么就可降低成本。
    保持印板布线图左右声道区域对称很重要。印板布线图对称意味着电路的左右剖面看起来非常相似(即便不是正好完全相同且有同样的走线长度和宽度)。在一些实例中，电路板的布线图左边是对右边的镜像，使得在最终设计中产生适当的平衡参数(一致的左右声道)。例如，为了使左右声道电路获得0.0006％的THD+N，电路板上的接地连线必须长度、宽度相同，精确到0.25mm，并且在电路板的两边有同样的形状。当然，不需要那样仔细构思也能获得0.01％或更好的THD+N。
    LM4702示范板布线图中一个值得注意的地方是在放大器电路板的顶层，这儿有一条线连接到LM4702管脚3上的Sink1，引出到达林顿三极管，另一条走线则连接到管脚11上的Sink2。在对布线图进行多次重复设计后，发现这两条线之间需要最小2.54mm的间距才能避免可能的振荡。因为这是两侧声道最敏感的点，所以在这两点间不应该有任何耦合。这也是为什么需要在两条线路之间保持2.54mm最小间距的原因。
 
图5 LM4702的参考设计图
 
图6 印板图

2.偏置
    目前，美国国家半导体用新的芯片制作工艺来制造LM4702高压驱动器件，可以令THD+N维持在0.0006％的同时减少偏置等级。
    LM4702放大器中的一个外部Vbe乘法器电路设置了输出级偏置，它也提供热保护功能，以便在输出级温度变化时维持输出中点电压偏移，如图5所示。三极管Qmult1和Qmult2(目前是D44C8或TIP31A)安装在NPN和PNP达林顿大功率三极管之间的散热片上，尽可能提供最好的温度同步。在LM4702上设置更低偏置等级的能力意味着更少的功耗和更低的热量。
    LM4702示范放大器在获得低达0.0006％的THD+N时只有15～20mA的偏置电流。增加偏置将使达林顿大功率三极管输出级由甲乙类放大变为甲类放大，但THD+N或其他音频指标没有改善。在美国国家半导体公司的实验室进行的临界监听测试也没有发现任何改善，但音色有所变化。在电路中，用于输出级的达林顿大功率三极管的发射极电路采用了0.5Ω负反馈电阻。0.5Ω电阻可确保最大限度的保护和稳定，而0.33Ω或更小的电阻可用来少量地增加输出功率。

3.电源设计和变压器屏蔽技术
    在LM4702示范放大器中使用的电源采用简单的全波桥式整流。变压器的选择要考虑空间尺寸限制，并能为8Ω扬声器负载提供每声道100W的功率。因此，需要安装两个环形变压器，而不是一个大型的变压器，两侧一边一个，同时适合狭小的外壳。采用了这种一边一个变压器的结构后，可以为放大器中的每个50V (正负)电源提供独立的变压器和整流桥。
    由于机箱设计得很小，两个环形变压器与电路板密切接触，为了获得最佳性能，有必要使用Mu金属屏蔽变压器。Mu金属可减轻变压器对放大器印刷电路板上的敏感电路产生的磁场干扰。环形变压器与EI形铁心变压器相比有较小的磁场辐射，但是价格较贵。环形变压器广泛应用于高端音频设备，可降低磁场辐射。然而，即便有较低的磁场辐射，在想要获得最低限度的失真和噪声时还是会发生问题。Mu金属屏蔽只有在它产生围绕环形变压器的完整回路时才有效，但它不需要接地就可生效。

4.电源旁路电容
    在示范电路板上，从每个50VDC电源到地面有两个0.47uF薄膜旁路电容。另外，第三个0.47uF电容穿过±50 VDC电源(从正极到负极)。这个电容被安置在穿过其他两个旁路电容顶部的位置。还有一对同样的电容并联在两个巨大的27000uF电源电容旁。大型电解电容在较高频率时会产生感应，这些较小的薄膜旁路电容能避免这些不必要的影响。主电源滤波器电容选择低ESR型，它在过去的设计中被证明最适合高端音频应用。

5.输出选项
    LM4702输出驱动电流限制在5mA。示范放大器使用互补达林顿大功率三极管作输出级来获得需要的电流增益，在8Ω负载上输出100W的功率。也可以采用低电压驱动型的互补MOS-FET作输出级，它们的VGS值必须是低电压，因为LM4702的输出限制在6VDC。

6.音质
    对于音质，在主观评价上可能会引起一场非常激烈的争论。但是，一般认为在不同的设备间确实可听出有所差异，并且可获得一致的结论。当然，个别测试中也有两种判断情况存在。因此，在测试中单元的输出水平应该尽可能匹配得较为接近。在个别场合，对于很专业的听众，推荐采用0.1dB输出级别的差异，但是1dB级别的匹配一般已经足够了。

7.元件选择
    在美国国家半导体公司的实验室进行的监听测试中发现，用于LM4702示范放大器的不同电路组件中有一个元件对声音信号质量的消极影响不可否认，即LM4702输入端的信号耦合电容，它降低了音质。许多测试证实，在音频信号通路里，甚至将最好的薄膜和金属薄片聚苯乙烯电容用在输入端也会产生消极的影响。因此，对于中高端的音频设备，建议不要在信号声道里使用电容。DC与信号源的偏置可能是个难题，推荐采用DC伺服电路以避免放大器输出存在DC偏置。

8.布线技术
    布线技术对于音质而言很重要。点到点布线、星状接地和星状电源走线能改善噪声指标，并影响音质。大规模布线可减少IR损失(电流×电阻损失)，从而稍稍改善放大器性能。另外，好的接线也是正确构建放大器的基本要求。
    每个放大器设计都有一些需要设计者处理的限制条件，但是LM4702的简化特点尽可能减少了这些限制，在保证低失真水平的同时又能感受到高水准的音质效果。

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