Микросхема LM4863. Описание. Типовая и упрощённая схема усилителя.

LM4863 – стереофонический усилитель мощности звуковой частоты с функцией работы на проводные высокоомные наушники.

Общие сведения о микросхеме LM4863.

Микросхема LM4863 разрабатывалась как универсальный чип стереоусилителя для портативных устройств с низковольтным питанием. Поэтому в неё была заложена функция работы как на динамики, так и на проводные наушники.

Выходная мощность микросхемы сильно зависит от питающего напряжения, сопротивления звуковой катушки динамика, типа корпуса и дизайна печатной платы, на которую она монтируется.

Микросхема в выводном корпусе DIP-16 при работе в мостовом режиме на 4-ёх омную нагрузку и питающем напряжении 5 вольт способна выдать около 2 ватт мощности на каждый канал.

Микросхема имеет такие рядовые функции, как защитное отключение при перегреве, а также подавление «Pop-noise» – щелчка или хлопка при включении.

Данную микросхему можно обнаружить в составе различной портативной электроники, например, в USB-колонках SVEN 315.

Содержание:

• Основные характеристики микросхемы LM4863;

• Цоколёвка микросхемы LM4863 в разных корпусах;

• Описание назначения выводов микросхемы;

• Типовая схема включения;

• Два режима работы микросхемы;

• Назначение внешних компонентов обвязки;

• Режим отключения с низким током потребления;

• Упрощённая схема усилителя на LM4863D.

Основные характеристики микросхемы LM4863.

Общие сведения об электрических характеристиках микросхемы LM4863 приведены в таблице №1.

Таблица №1.

Особые пояснения необходимо дать в отношении выходной мощности микросхемы (P_O), так как её величина зависит от соблюдения ряда условий.

Максимальную мощность в 3,2W микросхема может выдать в том случае, если используется корпус WQFN (LM4863LQ) или TSSOP20 (LM4863MTE), а также соблюдены правила относительно дизайна печатной платы, на поверхность которой монтируется микросхема.

Корпуса WQFN и TSSOP20 имеют так называемый «exposed DAP» (exposed die attach pad) – открытую площадку для крепления на «пузе», которая обеспечивает соединение с низким тепловым сопротивлением. Через неё избыток тепла отводится от кристалла микросхемы в печатную плату.

Применительно к микросхемам LM4863LQ и LM4863MTE, имеющим открытую площадку для крепления, площадь медного полигона на печатной плате, который контактирует с площадкой на «пузе» корпуса, должна составлять два с половиной квадратных дюйма (2,5in²), а толщина меди на печатной плате должна соответствовать 1oz copper PCB (стандартная печатная плата с толщиной медного слоя 0,0348 миллиметра).

Если представить это в единицах, знакомых нам со школы, то потребуется площадь около 16,13 квадратных сантиметра. Это эквивалент квадратной площадки со сторонами 4 на 4 см.

Правильно смонтированные на печатную плату микросхемы LM4863MTE, LM4863LQ с принудительным воздушным охлаждением способны выдать 2,5 Вт мощности на канал при нагрузке в 3 Ома и питании 5 вольт.

Таблица №2. Выходная мощность при разном сопротивлении нагрузки, типе корпуса и режиме работы. Тестовая частота 1 килогерц, напряжение питания 5 вольт.

Для справки. Считается, что при THD+N до 3...5% искажения слабо заметны на слух. При уровне THD+N в 10% сигнал имеет сильные искажения, легко заметные на слух и проявляющиеся в виде хрипов и призвуков. В технической документации, как правило, указывают максимальную мощность усилителя при THD+N, равном 10%.

Цоколёвка микросхемы LM4863 в разных корпусах.

Микросхема выпускается в разных корпусах: от привычного DIP-16 для монтажа в отверстия, до ультракомпактного WQFN24 (LQA24A).

Её можно встретить в корпусе SOIC-16 или SOP-18. Разница небольшая, но по незнанию можно запутаться. Микросхема имеет всего 16 функциональных выводов. Поэтому, если она упакована в корпус с большим количеством выводов, то они или не задействованы (NC), или подключаются к общему проводу схемы (GND).

Далее можно ознакомиться с цоколёвкой микросхем в разных корпусах и их маркировкой.

Микросхемы Texas Instruments маркируются как LM4863 (DIP-16/SOIC-16), LM4863MTE (TSSOP-20), LM4863LQ (WQFN24).

National Semiconductor маркирует свои микросхемы так: LM4863M (SOP-16), LM4863N (DIP-16), LM4863MT (TSSOP20), LM4863LQ (LQA24A).

Пример маркировки микросхем, производимых Unisonic Technologies (UTC): LM4863L-D16-T (корпус DIP-16), LM4863G-S18-R (SOP-18), LM4863G-N20-R (HTSSOP-20).

Тут надо отметить, что для микросхем в разных корпусах в даташите указывается разная выходная мощность. Микросхема LM4863 работает в классе AB, а, следовательно, при работе выделяет тепло, которое необходимо куда-то девать, чтобы полупроводниковый чип не перегрелся и не вышел из строя.

Некоторые корпуса для SMT-монтажа имеют так называемый thermal pad или exposed DAP на «пузе» микросхемы. Это открытая площадка для крепления. За счёт неё от кристалла отводятся излишки тепла в медные слои печатной платы и полигоны на ней. Применение открытой площадки для крепления увеличивает эффективность охлаждения раза в 1,5, что, в свою очередь, позволяет повысить выходную мощность.

Описание назначения выводов микросхемы.

Таблица №3. Обозначение и назначение выводов микросхемы LM4863.

Типовая схема включения.

Типовая схема включения микросхемы LM4863 показана на следующем изображении. Цоколёвка соответствует корпусу DIP-16 и SOIC-16.

Типовая схема включения микросхемы LM4863

На схеме также показана внутренняя структура микросхемы. Как видим, она имеет два канала усиления. В каждом канале задействованы по два операционных усилителя: Amp1A и Amp2A – канал A, Amp1B и Amp2B – канал B.

Так как сигнал с выхода усилителя Amp1A подаётся на вход Amp2A, то в результате оба усилителя выдают идентичный усиленный сигнал, но с расхождением по фазе на 180°. Используя это, нагрузку (динамик) подключают между выходами данных усилителей. Такую конфигурацию называют мостовой схемой или мостовым выходом.

На выходе мостовой схемы нет напряжения постоянного тока. Это позволяет подключить низкоомные динамики непосредственно к выводам микросхемы и избавится от необходимости установки разделительного конденсатора между выходом и нагрузкой.

Два режима работы микросхемы.

Микросхема LM4863 способна работать в двух режимах: мостовом (Bridged) с нагрузкой на низкоомные динамики, и несимметричном (Single-Ended) для высокоомных наушников.

При работе на низкоомные динамики задействуется мостовой режим работы (Bridged). В данном режиме выходной каскад работает в классе AB.

В режиме Single-Ended усилитель способен работать на обычные наушники, капсюли которых имеют сопротивление 16 или 32 Ома. При работе на высокоомные наушники выходной каскад усилителей работает в классе А, а выходная мощность уменьшается в четыре раза.

Для переключения режимов в микросхеме реализована функция определения подключения наушников, и под неё отведён специальный 16-й вывод (HP-IN).

Схема переключения режима, реализованная с помощью гнездового разъёма 3,5 mm mini-jack с переключающим контактом, работает следующим образом.

В положении, когда к разъёму не подключены наушники, контакт внутри него замкнут. В результате напряжение питания +5V поступает на делитель из резисторов R1 и R2. При этом на выводе HP-IN (16) формируется напряжение около 50 милливольт, которое переводит микросхему в мостовой режим работы на низкоомные динамики.

При подключении наушников, контакт внутри разъёма 3,5 mm mini-jack размыкается, и напряжение +5V от источника питания через резисторы R1 и R4 подаётся на HP-IN. На выводе формируется высокий уровень напряжения V_IH (от 4 до 5V), который переключает микросхему в режим работы на наушники (Single-Ended).

При этом усилители Amp2A и Amp2B внутри микросхемы отключаются, а выводы +OUTA, +OUTB имеют высокий импеданс, что равносильно размыканию цепи. Таким образом, низкоомные динамики отключаются.

Оставшиеся усилители Amp1A и Amp1B работают в классе А. Усиленный ими аудиосигнал снимается с выводов -OUTA, -OUTB и через разделительные конденсаторы C_O поступает на контакты Tip (кончик) и Ring (кольцо) 3,5 мм. гнездового разъёма Headphone jack (3,5 mm mini-jack).

Поскольку резисторы R2 и R3 подключены параллельно звуковым катушкам капсюлей наушников, то выходные каскады усилителей нагружены на их общее сопротивление. Но, поскольку сопротивление рядовых наушников намного меньше сопротивления данных резисторов и, как правило, составляет 16 или 32 Ом, то они не оказывают существенного влияния на выходную мощность усилителей.

Для управления режимом работы микросхемы может использоваться микроконтроллер или обычный выключатель с фиксацией. При использовании микроконтроллера, на вывод HP-IN (16) подаётся управляющее напряжение V_IH более 4V, что переключает микросхему в режим работы на наушники.

При использовании выключателя, он просто служит заменой переключающего контакта в разъёме Headphone jack (TRS 3,5 mm mini-jack), и подключается между выводами резисторов R1, R4 и точкой соединения конденсатора C_O и резистора R2 (см. схему переключения режимов).

Назначение внешних компонентов обвязки.

Кратко рассмотрим назначение внешних компонентов, указанных на типовой схеме, а также критерии выбора их номинала.

Резистор R_F в цепи обратной связи совместно с R_I задают коэффициент усиления.

Разделительный конденсатор C_I не пропускает постоянную составляющую сигнала на вход усилителя. Совместно с резистором R_I этот конденсатор образует фильтр высокой частоты (ФВЧ).

Ёмкость разделительного конденсатора C_I влияет на громкость "хлопка" при включении. Хлопок или щёлчок образуется из-за переходных процессов в момент подачи питания на усилитель.

При этом конденсатор C_I начинает заряжаться постоянным током с выхода усилителя через резистор обратной связи R_F. Напряжение на нём нарастает от 0 до половины напряжения питания (VDD/2). Поэтому, чем больше ёмкость конденсатора C_I, тем дольше будет длиться его заряд, а следовательно, сформируется более громкий и длинный "хлопок" в динамике.

Также стоит понимать, что данный конденсатор, являясь частью ФВЧ фильтра, задаёт частоту его среза. Если ёмкость будет небольшой, то фильтр будет пропускать более высокие частоты.

Таким образом, часть "басов" не пройдёт на вход усилителя. Это необходимо учитывать при проектировании устройства, где будет установлен усилитель на микросхеме LM4863.

При использовании малогабаритных динамиков, которые, как правило, не рассчитаны на качественное воспроизведение низких частот менее 150 Гц, ёмкость конденсатора C_I можно выбрать меньше, например, 0,063 мкФ. Это сместит частоту среза фильтра вверх, что приведёт к подавлению низких частот, которые динамик всё равно не сможет полноценно воспроизвести.

Если же используются более качественные динамики, которые способны хорошо воспроизводить низкие частоты, то ёмкость конденсатора C_I можно увеличить до 1 мкФ, как и показано на типовой схеме.

C_S – блокировочный конденсатор по питанию. Его наличие снижает уровень помех по линии питания. В качестве данного конденсатора рекомендуется установить танталовый конденсатор ёмкостью 1 мкФ и рабочим напряжением не менее 6,3 вольт. Использование керамического конденсатора крайне нежелательно, так как это может привести к возникновению колебаний в выходном сигнале.

Конденсатор C_B задействован в цепи минимизации переходных процессов, а если по-простому, – подавлении тех самых хлопков и щелчков («Pop noise»), возникающих в динамиках при включении и выключении микросхемы.

Ёмкость данного конденсатора может быть от 0,01 мкФ до 1 мкФ. Соответственно, время включения микросхемы будет от 20 миллисекунд до 2 секунд. Это время, в течение которого напряжение на выходе микросхемы нарастает до половины питающего напряжения (VDD/2).

При использовании конденсатора ёмкостью 1 мкФ повышается PSRR (Power Supply Rejection Ratio), то есть снижается влияние нестабильности питающего напряжения (считай помех по питанию) на выходной сигнал усилителя.

Применение конденсатора C_B ёмкостью 1 мкФ совместно с разделительным конденсатором C_I ёмкостью от 0,1 мкФ до 0,39 мкФ минимизирует появление щелчка при включении.

C_O – разделительный конденсатор в цепи подключения наушников. Необходим для исключения короткого замыкания по постоянному току выхода усилителя на общий провод через обмотку капсюлей наушников.

Стоит отметить, что быстрое переключение питающего напряжения (выкл./вкл.) может привести к тому, что конденсатор C_O не успеет разрядиться, так как имеет достаточно большую ёмкость. В режиме работы на наушники из-за разряда конденсатора C_O через внутренние резисторы 20 кОм образуется переходной процесс, который проявляется, как хлопок в наушниках.

Чтобы уменьшить влияние разряда конденсатора C_O, рекомендуется подключить внешние резисторы сопротивлением 1...5 кОм параллельно внутренним резисторам 20 кОм между 5 и 12 выводом микросхемы и общим проводом схемы.

Режим отключения с низким током потребления.

Микросхема LM4863 поддерживает режим отключения с низким током потребления. Этот режим можно назвать дежурным или спящим. В данном режиме микросхема выключается ("засыпает"), потребляя минимальный ток от источника питания.

Подача на 1 вывод (SHUTDOWN) напряжения от 2,5V (VDD/2) до 5V (VDD), приводит к выключению усилителя. Он переходит в дежурный режим.

При этом отключается схема смещения и микросхема потребляет минимальный ток около 0,7...2 микроампер.

Управлять включением/отключением микросхемы посредством вывода SHUTDOWN можно по-разному, например, подавая управляющее напряжение с микроконтроллера или микропроцессора.

Также можно сделать ручное управление включением/отключением, применив обычный выключатель и резистор сопротивлением 10 кОм. Резистор подключается между 1 выводом микросхемы и плюсовой шиной питания V_DD (4, 13 вывод микросхемы в корпусе DIP-16 или SOIC-16). Выключатель с фиксацией положения подключается между 1 выводом микросхемы и общим проводом GND – минусом питания (2, 7, 15 вывод микросхемы в корпусе DIP-16 или SOIC-16).

При замыкании контактов выключателя усилитель включается, при размыкании отключается.

При использовании микросхемы LM4863 в составе отдельного усилителя данный режим вряд ли будет интересен. Как правило, 1 вывод микросхемы соединяют с общим выводом схемы GND. При этом усилитель включается сразу же после подачи питания на схему.

Упрощённая схема усилителя на LM4863D.

Практический пример упрощённой реализации стерео усилителя на микросхеме LM4863D можно встретить в USB-колонках SVEN-315.

Упрощённая схема стерео усилителя на LM4863D

В них микросхема LM4863D работает только в мостовом режиме на низкоомные 3-ваттные динамики сопротивлением 4 Ом, так как 16 вывод подключен к общему проводу схемы GND (минусу). Внешнее управление питанием микросхемы не используется – 1 вывод также, как и 16 (HP-IN), подключен к минусу питания.

В качестве разделительных конденсаторов C_I применены конденсаторы C1, C5 ёмкостью 0,22 мкФ.

В качестве конденсатора C_B установлен конденсатор C3 ёмкостью 0,47 мкФ. Как уже было сказано, ёмкость данного конденсатора влияет на время включения усилителя после подачи питания. В данном случае, оно составляет 940 миллисекунд (~1 сек.).

При желании схему можно повторить, собрав миниатюрный стереоусилитель по предложенной схеме.

Во время сборки усилителя следует позаботиться о том, чтобы соединительные проводники между динамиками и выводами микросхемы были как можно короче.

Так как рабочее напряжение микросхемы укладывается в диапазон рабочего напряжения одной ячейки литий-ионного или литий-полимерного аккумулятора, то микросхему можно использовать для сборки портативной колонки с автономным питанием.

Главная → Радиоэлектроника для начинающих → Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

• Как читать принципиальные схемы? Часть №1.

• Усилитель на TA8201AK. Схема и даташит.