主流IC比较及应用LM1875、LM3886(LM4780)、LM4766、TDA7293、TDA7

LM1875、LM3886（LM4780）、LM4766、TDA7293、TDA7294比较及应用摘要:一．6片IC简介本文将为大家介绍现在流行的6款IC音频功率放大器，分别是美国国半公司的LM1875、LM4766、LM3886（LM4780）以及ST意法公司的TDA9293和TDA7294，它们的标称输出功率在30～100W范围内，适用于家用高保真音频功率放大器。采用这几款IC的功放具有元件少、调试简单的特点，功率、音质与一般的分立元件功放相比毫不逊色，因此一直受到广大DIY发烧友，特别是初学者的喜爱。JeffRowland的基于LM3886、TDA7293的功放跻身世界优秀功放之林，更证明了功率IC本身性能之优异。关键词:音频功率放大器功率ICTDA7294TDA7293应用LM1875LM4766LM3886一、6片IC简介本文将为大家介绍现在流行的6款IC音频大功率放大器，分别是美国国半公司的LM1875、LM4766、LM386（LM4780）以及ST意法公司的TDA7293、TDA7294，它们的标称功率在30～100W范围内，适合于家用高保真音频放大器。采用这几款IC的功放具有元件少，高度简单的特点，功率、音质与一般分立元件功放相比毫不逊色，因此一直受到DIY发烧友，特别是初学者的喜爱。JeffRowland的基于LM3886、TDA7293的功放跻身世界优秀功放之林，更证明了功率IC本身性能之优异。虽然JeffRowland证明了功率IC可以好声，而且这些IC家喻户晓，使用者众多，但“IC音质不如分立元件”的观念却依然根深蒂固的扎根于广大DIY发烧友的头脑里。很多人对这些芯片的认识来自未能发挥芯片的制作，造成对这些芯片的误解。本文将从产品数据手册入手，多角度，深入地挖掘产品数据手册中包含的丰富信息，揭开数据背后隐藏的秘密，以求给大家一个全面的认识。1、LM1875LM1875是美国国家半导体公司20世纪90年代初推出的一款音频功放IC，如图1所示。它采用TO-220封装，外围元件少，性能优异，直到现在还一直被广泛应用于音响上。LM1875价格低廉，最适合于不想花太多钱又想过发烧瘾的爱好者业余制作，其音质也一直广受好评。LM1875体积小巧，且功率可达30W，内部也有过载、过热及感性负载反峰电压保护。LM1875封装与引脚图.jpg2、LM4766LM4766是国半公司推出的双声道大功率放大集成电路，每个声道在8欧姆负载上可以输出40W平均功率，而且失真小于0.1%，如图2所示。在国半公司的产品系列中，LM4766被归入“序曲”（Overture）系列，属于最高端的单片双声道大功率放大集成电路。它内含NS公司研制的SPIKc保护电路，对输出级晶体管的安全工作区（SOA）进行动态检测与保护，全面实现过压、欠压、过载、输出短路（包括短路到地与短路到电源）、热失控和瞬时温度冲击等保护功能，无须外接各种保护电路。LM4766封装与引脚图.jpg3.LM3886LM3886是单声道、高性能音频功放IC，如图3所示。它是美国国家半导体公司的“序曲”音频功放系列功率最大的型号，连续输出功率可达68W，内含自行研制的SPIKc保护电路，无须外接各种保护电路。LM3886封装与引脚图.jpg4、LM4780LM4780技能参数与LM3886完全一样，应该就是LM3886的双软声道版本，它内含是两个LM3886，如图4所示。LM4780封装与引脚图.jpg5、TDA7294TDA7294、TDA7293是ST公司两款DMOS大功率音频放大集成电路，它有效宽范围的工作电压，（Ucc+Uee）=80V，还有较高的输出功率（高达100W的音频输出功率），并且具有静音、待机、过热、短路保护功能，以及很小的噪声与失真，如图5所示。TDA7294封装与引脚图.jpg6、TDA7293TDA7293支持多片并联运行，并具有削峰和输出短路指示，如图6所示。TDA7293封装与引脚图.jpg二、参数对照与深入分析：很多人都知道这些参数，如果仅仅停留在这一层面上，相信是不够的。其实产品数据手册中包含了大量的重要信息，因为厂商要通过产品数据手册来指导用户使用产品，这些信息对于我们用好这些芯片是非常有用的，但厂商为了吸引客户，一定会尽可能将产品最光鲜的一面给大家看，同时尽可能隐藏器件的弱点，造成一些重要信息常常被我们所忽视或误读。厂商常用的忽悠手段有：1使用非常规的测试条件；2把最好的数据放在最显眼的位置。因此，作为对策，解读产品数据手册的一个基本原则是：我们不仅要看数据，更要看这些数据是怎么来的（即测试条件是什么），不然往往被数据所欺骗。另外一个原则是：数据手册的数据都是器件的极限，实际表现往往相去甚远。下面我们对这几款芯片的主要数据做一个深入的分析。需要说明的是，本文所有数据均源自厂商的产品数据手册。1、输出功率从表1可以看到，TDA7294的最大输出功率可达100W，远远大于LM3886的68W。实际上TDA7294的100W是毫无意义，它是在失真THD=10%时的输出功率，而LM3886的68W是在失真加噪声THD+N=0.1%时候的功率。事实上TDA7294在THD=0.1%时的功率与LM3886相差无几。这就ST在测试条件上玩的一个花招。如果你设计一个需要输出100W可用功率的功放，那么粗心选用一片TDA7294必然会导致失败。表1.jpg表2详细地反映了各无芯片的实际输出功率与失真率、电压及负载的关系。从表中可以看出，TDA7293/TDA7294在同样的电压下，输出功率略大于LM3886，这是由于TDA7293/TDA7294输出级采用了自举电路的原因。不过，自举电路的代价是使听感变差，如果去掉自举电容，音质会明显改善，但最大输出功率将小于LM3886，这是因为DMOS的开启电压较高的原因。表2.jpg受散热与输出电流的限制，号称100W的TDA7293/TDA7294推4欧姆音箱的推荐工作电压仅为±29V与±27V，与LM3886的±28V相比没有优势。虽然在推8欧姆音箱的时候TDA7293与LM3886拉开了距离，工作电压可达±40V，输出功率明显胜出，但根据分析，限制最大输出的关键是封装，封装类似的芯片的最大输出功率其实都差不多，详见后文的散热部分。从表中还可以看出LM4766不适合驱动4欧姆的音箱（未给出数据），这是由于芯片的最大输出电流仅为4A（见表1），低于推荐的±26V工作电压驱动4欧姆负载所需的电流。LM4766要驱动4欧姆的音箱只能降低工作电压（考虑管压降的话应该不超过±18V）。几年前曾经有人用LM4766制作的40W功放，号称能推好丹拿（4欧姆音箱），不少人信以为真。如果我们仔细研究过数据手册，熟悉产品特性的话，就不会上当受骗了。同样，LM1875受输出电流的限制，推荐电压下4欧姆负载的最大功率小得可怜，仅同8欧姆一样。它与LM4766一样都不适合用来推低阻抗音箱。一定要推低阻抗音箱的话，应该采用并联方式。LM4766和LM1875的输出电流较小的另一个原因是受封装限制，最大功耗较低，必须把电流限制在较小的水平上。综上所述，用LM1875和LM4766做的BTL电路，不并联的话，供电电压没心要超过±18V，而且只能推8欧姆的音箱。而THD=10%时，输出信号已经严重削峰，这时的功率对高保真来说毫无意义。1、失真率在产品数据手册的开头部分，往往会给一个很漂亮的失真率数据，比如表1里面LM3886的0.004%，TDA7294的0.005%。我们千万不要被这些漂亮的数据所欺骗，要知道这是某个频率、某个功率下的失真，是该芯片的极限，除些之外所有条件下失真率都将超过这个数字，而且多半是超过一个数量级以上的。数据手册后面的失真率曲线才是我们应该关注的。失真率曲线比较复杂，与多种因素相关，如功率、频率、负载阻抗等。通常产品数据手册至少会给出1kHz频率下失真率与输出功率的关系曲线。LM1875失真.jpgLM4766失真.jpgLM3886失真.jpgTDA7293失真.jpgTDA7294失真.jpg图7～图11是产品数据手册里给出的THD失真率曲线的一部分。LM1875总共有两张图，LM4766有4张，LM3866最详细，有12张（这里只列出开头两张），TDA7293有两张，TDA7294有4张（这里只列出开头两张）。在读这些图时要注意以下几点：（1）、THD与THD+N是不同的，THD+N是包含了噪声的，所以THD+N总是偏大，含金量更高一些。（2）测试时加不加滤波器对测试结果有明显影响，加了滤波器限制带宽以后，失真率会减小，带宽越小，失真率也越小，参考价值也越小。图中标注NoFilters就是没有限制信号带宽，标注BW80kHz，说明测试仪器限制信号带宽是80kHz，即功放的20kHz的4次以上，16kHz的5次以上等谐波都没有计算进去，失真率自然就小一些。不标明测试带宽的图，一定要用怀疑的眼光去看，宁可信其有，不可信其无。从这些图中我们可以得到以下信息。（1）这些芯片中，大功率下失真最小的是LM3886，50W功率下20kHz失真率不到十万分之二多点，相比之下，TDA7293虽然在300Hz左右时最低失真率与LM3886一样都是十万分之二多点，但随后失真率上升比LM3886快，到20kHz时已经是万分之五，数倍于LM3886。（2）TDA7293/TDA7294的高频（比如20kHz）失真率从3W左右开始就随功率增大而增大，说明高频的谐波增加速度大于基频的增加速度，这真是让人失望。而LM3886的20kHz失真率走到30W以上才开始增加。（3）从数据手册上看，LM4766的内部电路与LM3886可谓大同小异，失真特性也几乎一模一样。LM1875的内部电路大不一样，失真特性也大不一样。LM1875的失真率数值虽然比LM4766、LM3886都大，但在100Hz～10kHz这段人耳最敏感的区间内几乎是不变的。而LM4766、LM3886的失真率从300Hz最低点开始就直线上升，到20kHz时已经增大了8倍左右。很多人都说LM1875是最好听的功率IC，原因可能就在于此。（4）常用的聆听功率在1～10W之间，这个范围办LM3886、TDA7293、TDA7294的失真率看起来都差不多，LM3886只是略小一点，但在LM3866的数据是THD+N，这里包含了噪声。由于越是小功率的时候噪声的影响越大，因此实际的失真率还是LM3886明显低于TDA7293和TDA7294。3、压摆率与功率带宽压摆率在英文里这SlewRate，简称SR。压摆率也称转换速率。其单位是V/us，它反映的是放大器对信号变化速度的反应能力，信号幅度越大，信号频率越高，要求放大器的SR也越大，如图12所示。三者之间的关系为Imax=SR/(2PAI*Um)，其中Um是最大输出电压。对于功率放大器来说，fmax就是功率带宽，输出电压越高，功率带宽越窄。如TDA7293的数据手册里面没有功率带宽的数据，我们可以根据SR公式来推算功率带宽。根据数据手册里TDA7293的推荐电压是±40V，SR=10V/uS，不考虑输出管压降，它的最大满功率频率（功率带宽）就等于10*10的6次方/（6.28*40）=39.8kHz。降低工作电压可以提高功率带宽，但同时也降低了最大输出功率。为了不降低最大输出功率或者提高功率带宽，可以采用BTL电路，每块芯片只负责一半的输出电压，同样输出功率下，功率带宽翻倍。压摆高意味着大功率输出时有较小的高频失真，这几个芯片中LM3886具有最大的压摆率。SR公式还可以帮助我们验算数据手册中的功率带宽数据有没有水份。比如。LM4766有个输出电压摆幅与输出信号频率关系曲线（如图13所示）。可以看到，LM4766的功率带宽有90kHz以上，但用SR公式计算得到的功率带宽是71kHz，再从图13中左下角的说明，THD10%。其原因就在于此，90kHz时输出20V电压已经严重失真了，这个曲线有水份。压摆率.JPGLM4766功率带