【2023集创赛】信诺达杯三等奖：关于LM386N-1音频功率放大器性能的测量指南
本文为2023年第七届全国大学生集成电路创新创业大赛（“集创赛”）信诺达杯全国三等奖作品分享，参加极术社区的【有奖征集】分享你的2023集创赛作品，秀出作品风采，分享2023集创赛作品扩大影响力，更有丰富电子礼品等你来领！
团队介绍
参赛单位：南京信息工程大学
队伍名称：如约而至
指导老师：刘恒
参赛队员：王曼清、崔骏彦、蒋丽侠
总决赛奖项：三等奖
赛题要求
基于ST3020模拟集成电路测试实训平台，完成音频功率放大器LM386N-1器件的自动化测试方案设计。要求测试方案思路清晰，文档框架结构合理、内容逻辑通顺，必须包含以下内容:
(1)ST3020系统手册(模拟部分）和LM386N-1手册的思维导图。
(2)需要尽量多地测试出LM386N-1芯片的参数，并写出各指标参数的测试方案和基于指定测试平台的测试程序。
(3)测试接口原理图、每项参数测试方法说明、测试程序。
项目设计情况
1.通过研读LM386N-1芯片手册确定需要测量的芯片参数
2.根据参数特性制定合适的测试电路原理图
3.综合电路编写测试方案
设计难点
1.符合规范的合理测量各个参数。
2.对于各个参数的电路设计。
3.通过继电器将各个电路组合起来实现自动化测量。
芯片概述
LM386N-1是一种音频集成功放芯片，在集成OTL型功放电路中较为常见，它是具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器。
LM386N-1类似于通用型集成运放，是一个三级放大电路：第一级为差分放大电路;第二级为共射放大电路;第三级为准互补输出级功放电路，其广泛应用于录音机和收音机之中。
LM386N-1音频功率放大器主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接的电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半。在6V电源电压下，它的静态功耗仅为 24mW，适合于电池供电场合。
LM386N-1音频功率放大器，又称音频功率增强器，是一种可以改善音频信号能量和声音音量的设备。它可以将输入的音频信号放大，从而可以提高放大器的音量，增强音质，从而改善音频性能。此外，音频功率放大器还可以用于增强低音频信号，使其达到扬声器的功率有效范围，并有效抑制高频失真。
音频功率放大器可以用于连接各种类型的设备，例如CD播放器、笔记本电脑、MP3播放器等，它从这些设备中收集音频信息，再将其转换为一种可以放大的电子信号。放大器利用一种叫做交流电变换技术(ACTR) 的电压增益设备来将音频信号放大，然后将放大的信号发送到一个额外的设备上，如扬声器，以便进一步处理音频信号。
封装形式及内部结构
LM386N-1 的封装形式为 DIP8 或 SOP8
1与8脚为增益调整端，当两脚开路时，电压放大数为20倍，当两脚间接10uf容时，电压放大倍数为200倍;
2脚为反相输入端;
3脚为同相输入端;
4脚为地端;
5脚为输出端;
6脚为电源正端;
7脚为旁路端;
6脚与地之间接10uf电容可消除可能产生的自激震荡，如无震荡7脚可悬空不接。
图 1：LM386N-1引脚
图 2：LM386N-1内部电路
LM386N-1内部电路原理如图2所示。其基于典型的音频功率放大器配置，通常称为Lin拓扑。LM386N-1 内部电路分为输入级，电压放大器级(VAS)，输出级(OPS)和反馈网络。
输入级模块一是PNP发射极跟随器放大器(Q1，Q3)，其设置输入阻抗并定义DC工作点，使输入电压离地升高，因此电路将接受负输入信号至-0.4V。
两个50k输入电阻(R1，R3)均建立到基极电流接地的路径，需要将输入耦合，以免干扰内部偏置，因此输入阻抗由这些电阻决定，并设置为50K。
电压放大级
共发射极放大器(Q7)将低幅度输入信号放大到直接耦合到输出级的合适电平。
输出级
LM386N-1是AB类功率放大器，其中每个晶体管都放大其对应的半波。由于PNP晶体管的增益差的，Q9和Q10是在一个化合物PNP晶体管配置。
分频器补偿
二极管D1和D2用于补偿交越失真。实际上，在推挽拓扑结构中，在输入信号开始超过其正向电压(Vbe)时晶体管才开始导通，正向电压(Vbe)是基极-发射极结上的电压(通常约为±0.6 V) 。为抵消晶体管的最小导通限制(Vbe)，要对它们施加偏置，使它们空转电压始终不低于正向电压(Vbe)。一定数量的电流(称为偏置电流)不断地馈入晶体管的基极，使它们保持导通的牺牲效率得到保证。使用二极管被证明是最好的解决方案之一：它提供了一个取决于温度的压降，并且热系数与晶体管相匹配可以使偏置电流保持相当稳定。将二极管安装在与功率晶体管相同的散热器上便可得到精确的热跟踪。通常情况下，一个二极管是不够的，所以放大器往往使用多个二极管结，而在LM386N-1中二极管使用的数量为两个。
反馈网络
经过电阻R8从输出向发射极Q4施加负反馈。该直流反馈的作用是将输出直流偏置电压稳定到电源电压的一半。定性条件下，直流反馈的功能为：若因某种原因导致Vo增大，则相应的电流增量将流过R8且流入Q4的发射极。因此，Q4的集电极电流增加，使Q7的基极电压正增加。从而Q7的集电极电流增加，Q7的基极电压降低，所以Vo降低。
参数测试
图 3：电参数
在查阅芯片手册后，我们了解到LM386-1音频功率放大器的基本信息如图3所示，可以分析出该芯片的基本性能。
本文给出了几种关键参数下音频功率放大器（LM386N-1）的标准数据表信息的测量方法:
- 静态电源电流(Icc)
- 输出功率(Po)
- 电压增益(Av)
- 带宽(BW)
- 全谐波失真(THD)
- 电源纹波抑制比(PSRR)
- 输入电阻(RIN)
- 输入偏置电流(IB)
测量取决于印刷电路板（PCB）的布局，图3反映了典型的规格，并在专门设计的允许准确性和易于测量的测试板上进行测量得出参数。然而，本应用的测量是使用反映真实世界布局约束的ST3020上的电路进行的。对特定音频电路的测量值可能与典型的规格有所不同。PCB布局或测量系统可能是导致较大差异的重要因素。
我们设计的PCB板子及原理图如下所示：
图 4：原理图
图 5：PCB
为测量以下参数，在规定的环境温度下，我们将LM386N-1接入ST3020测试系统。
静态电源电流Iq
定义
静态电流是指没有信号输入时的电流，也就是器件本身在不受外部因素影响下的本身消耗电流。对于模拟芯片来说，可以通过静态电流直接体现电路的基本电流和电压特性,静态电流便是是评价芯片功耗和能耗的重要指标。我们测量的是LM386N-1输入端对参考点交流短路时，经电源端流入LM386N-1的电流。
6.png
测量方法
关闭继电器7、2
将输出端与负极相连，正级接地，抑制电源波纹，使得测量结果更加精确。
在电源端测量出电流Iq
测试代码
void Iq\\\_Test()
{
double Iq;
SET\\\_RELAY("7,2");
SET\\\_DPS\\\_POS(6,V,8,MA);//测量电源电流
Iq=DPS\\\_MEASURE\\\_POS(10)\*1000; if(!SHOW\\\_RESULT("Iq",Iq,"MA",10,No\\\_LoLimit))
{ BIN(1);}
CLEAR\\\_RELAY("7,2");
}
电压增益A\_V0
定义
电压增益是指在没有外接反馈电路、输出端开路、在输入端加入一个低频小信号电压时，LM386N-1输出电压与输入电压之比，通常用分贝（dB）来表示。电压增益是衡量放大器性能的重要指标，表示的是放大电路对输入信号的放大能力。
图 7：Av测量原理图
测量方法
放大器增益为20
关闭继电器6、3
输入音频电压源(AS)幅值大小为0.1 V,频率为1KHZ
用交流电压表(AVM)测量输入和输出电压为为VI和Vo
由下式计算电压增益
放大器增益为200
关闭继电器6，3，5（即将引脚1和8通过电容相连）
设置音频电压源(AS)幅值大小为0.05V,频率为1KHZ
芯片 1 脚和 8 脚外接一只10uF电容将 1.35kΩ电阻旁路
用交流电压表(AVM)测量音频输入和输出电压为VI和Vo
由下式计算电压增益A\_V0=20lg V\_0/V\_I
测量代码
void AV\\\_test(void)
{
double V1,V2,Av;
SET\\\_RELAY("6,3");
SET\\\_AS(0.05,V,1,KHZ);
SET\\\_AVM\\\_PATH(0,0);
V1=AVM\\\_MEASURE(1,100,MV,100);
//输入幅值
V2=AVM\\\_MEASURE(2,5,V,100);//输出幅值
Av=20\*log10(V2/V1);
if(!SHOW\\\_RESULT("Av(1 NC 8)",Av,"dB",No\\\_UpLimit,No\\\_LoLimit))
{BIN(5); }
CLOSE\\\_RELAY("5");
V1=AVM\\\_MEASURE(1,100,MV,100);
V2=AVM\\\_MEASURE(2,5,V,100);
Av=20\*log10(V2/V1);
if(!SHOW\\\_RESULT("Av(1 C 8)",Av,"dB",No\\\_UpLimit,No\\\_LoLimit))
{ BIN(5);}
CLEAR\\\_RELAY("6,3,5");
}
带宽B\_W
定义
芯片带宽是指芯片能够处理的最大频率范围，即LM386N-1的增益下降3dB时的频率范围，通常使用赫兹（Hz）来表示，可用于标识信号传输的数据传输能力、标识单位时间内通过链路的数据量和标识显示器的显示能力。
在模拟信号系统中带宽又称频宽，指在固定的时间可传输的资料数量，或在传输管道中可以传递数据的能力，它是衡量芯片性能和数据处理能力的重要指标，对高速数据、信号、图像和音频处理等应用领域非常重要。
图 8 B\_W 测量原理图
测试方法
关闭继电器6、3。设置输入电压频率为低频率,频率为1KHZ，测量输出电压Vo设置输入正弦波频率为较低频率fdown，测出输出电压Vdown，调节频率使得Vd的值靠近0.707Vo,记下此时的频率fdown设置输入正弦波频率为较高频率fup，测出输出电压Vup ，调节频率使得Vup的值靠近0.707Vo ，记下此时的频率fup由下式公式计算带宽
测试代码
void BW\\\_test(void)
{
double V1,V2,Av0,AV1,AV2,low\\\_fre=10,high\\\_fre=300,count=0,count1=0,BW;//low\\\_fre=10Hz,high\\\_fre=300khz
SET\\\_RELAY("6,3");
SET\\\_AS(0.1,V,1,KHZ);
SET\\\_AVM\\\_PATH(0,0);
V1=AVM\\\_MEASURE(1,100,MV,100);
V2=AVM\\\_MEASURE(2,5,V,100);
Av0=20\*log10(V2/V1);//1k时的增益
do
{
SET\\\_AS(0.1,V,low\\\_fre,HZ);
V1=AVM\\\_MEASURE(1,100,MV,100);
//测量输入幅值
V2=AVM\\\_MEASURE(2,5,V,100);
//测量输出幅值
AV1=20\*log10(V2/V1);
if(AV1>Av0\*0.71)
{low\\\_fre--;}
else if(AV1Av0\*0.71)
{
high\\\_fre=high\\\_fre+10;
}
else if(AV2 输出功率Po
定义
芯片的输出功率是指芯片将输入电能转化为输出电能的效率，指在全谐波失真度不超过规定值时，LM386N-1能够长时间输出的最大功率，通常用电功率（单位为瓦特）来表示，它也是衡量芯片功耗和节能的重要指标。
图 9 P_0 测量原理图
测试方法
关闭继电器6、3
同相输入端输入频率为1KHZ的正弦波。
调节输入电压，使得LM386N-1的全谐波失真为10%，读取输出电压V0
由下式计算输出功率P\_o=(V\_0^2)/R\_L
测试程序
void Pout\\\_test(void)
{
double V1,V2,R,P,V4,V5,THD,count=0;
SET\\\_RELAY("6,3");
V1=0.1;//初始幅值
R=8;
do
{
SET\\\_AS(V1,V,1,KHZ);
SET\\\_AVM\\\_PATH(0,1);//带通1k.
V4=AVM\\\_MEASURE(2,5,V,100);
SET\\\_AVM\\\_PATH(1,2);//带阻1k,低通20k.
V5=AVM\\\_MEASURE(2,100,MV,100);
THD=V5/V4\*100;//计算THD
if(THD>14)
{
V1-=0.01;
}
else if(THD<12)
{
V1+=0.01;
}
count++;//循环次数
}
while (THD<12||THD>14&count<50);//判断THD在10%左右
SET\\\_AVM\\\_PATH(0,0);
V2=AVM\\\_MEASURE(2,3,V,100);//输出电压
P=V2\*V2\*1000/R;
if(!SHOW\\\_RESULT("Pout",P,"mW",No\\\_UpLimit,250))
{
BIN(7);
}
CLEAR\\\_RELAY("6,3");
}
输入电阻R\_i
定义
芯片输入电阻是指芯片输入端对电路的电阻，即输入交流电压与输入交流电流之比，一般使用欧姆（Ω）为单位表示。芯片输入电阻决定了电路在输入端所呈现出的特性阻抗，对传输数据和信号，保证信号的质量和完整性都有着重要的作用。所以LM386N-1输入电阻的大小表明了放大电路从信号源或前级放大电路获取电流的多少，R\_i大，索取的前级电流则小,对前级的影响就越小。
测试原理图
图 10 R\_i测量原理图
测试方法
关闭继电器1、2。
设置电源端电压（VCC）为6V
同相输入端输入大小为0.1V的直流电压Vu。
被测的放大电路的输入端与信号源之间串入一个已知电阻 Rn=10k
测出LM386的正负极两端的输入电压V\_i
测试代码
void R\\\_IN(void)
{
double V1,V2,RI;
V1=2;
SET\\\_RELAY("1,2");
SET\\\_VS1(V1,V);
V2=DVM\\\_MEASURE(2,1,V,20);
RI=(V2)\*10/(V1-V2);//v1为输入电压，V1-V2为10k电阻两端电压
if(!SHOW\\\_RESULT("RI",RI,"k",No\\\_UpLimit,No\\\_LoLimit))
{
BIN(3);
}
CLEAR\\\_RELAY("1,2");
CLEAR\\\_VS();
}
电源纹波抑制比PSRR
定义
芯片电源纹波抑制比表示芯片输出信号中由电源杂波和电源波动带来的噪声与芯片本身信号功率之比，即LM386N-1的电源电压VS变化与输出电压VOUT（DC）变化的比值，常以分贝（dB）为单位表示。它是衡量芯片抗电源杂波和电源波动的能力的重要指标之一，也称作电源干扰抑制比或电源镇噪比。
测试原理图
图 12：PSRR测量原理图
测试方法
关闭继电器7、3、4
给电源施加偏置为6V的正弦波,其频率为1k,振幅设为Vs
用交流电压表测量输出电压V\_OUT
由下式计算输入
PSRR=20lg((∆V\_OUT)/(∆V\_S ))
测试代码
void PSRR\\\_Test()
{
double V1,PSRR;
SET\\\_POS\\\_RIPPLE(1,V,1000);//设置波纹1V,1khz
SET\\\_RELAY("7,3,4");
SET\\\_AVM\\\_PATH(LPPASS,BPPASS);
V1=AVM\\\_MEASURE(2,1,V,100);
PSRR=20\*log10(1/V1);if(!SHOW\\\_RESULT("PSRR",PSRR,"dB",No\\\_UpLimit,No\\\_LoLimit))
{
BIN(2);
}
CLEAR\\\_RELAY("7,3,4");
SET\\\_POS\\\_RIPPLE(0,V,1);
}
全谐波失真度THD
定义
芯片总谐波失真是指芯片输出信号中总谐波功率与基波功率之比，是LM386N-1用信号源输入时输出信号比输入信号多出的额外谐波成分，通常以分贝（dB）为单位。谐波失真是衡量芯片输出信号质量的重要指标之一，特别是在高频和高速数据处理应用中，对保证信号的质量和稳定性尤为关键。
图 13：THD测量原理图
测量方法
闭合继电器3、6
给电源施加规定电压（VCC）为6V。
同相输入端输入频率为1k 的正弦波，改变幅值使得输出功率为125mW
用交流电压表测量基波幅度V1 ( 选择1KHz带通滤波器)。
用交流电压表测量高次谐波幅度V2 (选择1KHz带阻滤波器和20KHz低通滤波器)，
测出输出电压的全谐波失真度THD=V\_2/V\_1
测试代码
void THD\\\_test(void)
{
double V1,V2,R,P,V4,V5,THD,count=0;
SET\\\_RELAY("6,3");
V1=0.1;
R=8;
do
{
SET\\\_AS(V1,V,1,KHZ);
SET\\\_AVM\\\_PATH(0,0);
V2=AVM\\\_MEASURE(2,3,V,100);
P=V2\*V2\*1000/R;
if(P>130)
{
V1=V1-0.01;
}
else if(P<120)
{
V1=V1+0.01;
}
count++;//循环次数
}
while (P<120||P>130&&count<50);//判断功率达到125mW
SET\\\_AVM\\\_PATH(0,1);//带通1k.
V4=AVM\\\_MEASURE(2,5,V,100);
SET\\\_AVM\\\_PATH(1,2);//带阻1k,低通20k.
V5=AVM\\\_MEASURE(2,100,MV,100);
THD=V5/V4\*100;
if(!SHOW\\\_RESULT("THD",V4,"%",No\\\_UpLimit,No\\\_LoLimit))
{
BIN(6);
}
CLEAR\\\_RELAY("6,3");
}
注释：全谐波失真（THD）测量将噪声，失真和其他不需要的信号的影响结合到一个测量中，并将其与基本频率相关（通常为百分比）。理想情况下，只有正弦波输入的基本频率存在于APA的输出中，而这在实践中从来不是这种情况。APA中的非线性，内部和外部噪声源，以及布局或接地问题都是干扰原始输入信号的部分贡献者。
输入偏置电流IB
定义
芯片的输入偏置电流是指输入端口的电流，是使LM386N-1输入级放大器工作在线性区所必须输入的一个直流电流。输入偏置电流是测试芯片输入特性的重要参数之一，它对决定电路的电平范围、输出电压的稳定性和功率消耗等方面都有着非常重要的意义。
图 14：IB测量原理图
测量方法
电源施加规定电压（VCC）为6V。
用直流电压表（DVM） 测出正极输入端的电压Vi根据下列公式计算IB
测试代码
void Ib\\\_Test(void)
{
double V1,I1;
V1=DVM\\\_MEASURE(3,100,MV,20);
I1=V1\*1000000/50;
if(!SHOW\\\_RESULT("IB",I1,"nA",No\\\_UpLimit,No\\\_LoLimit))
{
BIN(4);
}
}
比赛心得
本次赛题首次考察模拟芯片的测试，测试芯片为LM386，LM386N是一种音频集成功放芯片，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，可以用于连接各种类型的设备，例如CD播放器、笔记本电脑、MP3播放器等。本次需要自己设计电路并绘制PCB，完成硬件的设计、焊接全流程，再结合测试原理完成代码的编写和调试。总体来讲，本届赛题较难，较为丰富的工程经验十分必要，尤其是电容的使用和取值，自制的板卡上不便于取下再焊接以尝试一个较好的值。同时，设计PCB时要注意干扰信号的抑制。
参加极术社区的【有奖征集】分享你的2023集创赛作品，秀出作品风采，分享2023集创赛作品扩大影响力，更有丰富电子礼品等你来领！