Der LM380 ist ein Audio-Verstärker von National Semiconductor. Die Nennleistung gibt das Datenblatt mit 2,5W an (18V, 8Ω, 3% THD). Die Versorgungsspannung darf zwischen 10V und 22V liegen.
Der im Datenblatt abgedruckte Schaltplan suggeriert einen relativ einfachen Aufbau. Er ist allerdings nicht ganz vollständig, wie sich noch zeigen wird.
Den Eingang bildet ein Differenzverstärker (blau). Obwohl der
LM380 mit nur einer Versorgungsspannung arbeitet, kann ein Eingangssignal mit
Massebezug ohne Koppelkondensator direkt eingespeist werden. Der Eingangspegel darf
+/-0,5V allerdings nicht überschreiten. Kritisch ist dabei die untere Grenze.
Darüber hinaus gehende, negative Potentiale können zu Stromflüssen über das
Substrat und damit im schlimmsten Fall zur Zerstörung des Verstärkers führen. Der Verzicht auf einen
Koppelkondensator ist vorteilhaft für die Schaltungsauslegung, verschlechtert
aber wahrscheinlich die Signalqualität etwas. Sinkt das Potential des Nutzsignals
unter das Bezugspotential des Substrats, so erhöhen sich die Leckströme, die das
Signal nichtlinear verzerren.
Die
Eingangstransistoren sind zweistufig aufgebaut, was den Verstärkungsfaktor
erhöht. Durch die integrierten 150kΩ-Widerstände kann ein nicht benötigter
Eingang unbeschaltet bleiben. Ein Stromspiegel im Kollektorpfad erhöht die
Stromlieferfähigkeit des Differenzverstärkers.
Bei der Eingangsstufe handelt sich um einen
sogennanten pi-type Differenzverstärker. In jedem Emitterpfad befindet sich ein eigener 25kΩ-Widerstand zur
Arbeitspunkteinstellung. Der 1kΩ-Widerstand zwischen den Zweigen
definiert den Verstärkungsfaktor. Der nicht invertierende Pfad des
Differenzverstärkers wird parallel herangezogen, um die Gegenkopplung zu
realisieren (orange). Dazu ist dessen 25kΩ-Widerstand mit dem Ausgang verbunden.
Im linken Zweig des Differenzverstärkers stellt ein dritter 25kΩ-Widerstand
(grau) die halbe Versorgungsspannung als Bezugspotential ein. Der Ausgangs liegt
damit ohne Aussteuerung auch auf der halben
Versorgungsspannung. Ein
Lautsprecher muss entsprechend mit einem Koppelkondensator angebunden werden.
Realisiert man mit zwei LM380 eine Vollbrückenansteuerung, so kann auf den
Koppelkondensator verzichtet werden. Über den Pin 1 wird das Hilfspotential
des Differenzverstärkers mit
einem externen Kondensator stabilisiert.
Ein Stromspiegel (grau) spiegel den
einigermaßen konstanten Strom im linken Zweig des Differenzverstärkers als
Arbeitsstrom in die
folgende Verstärkerstufe.
Auf den Differenzverstärker folgt die Spannungsverstärkerstufe mit dem Kompensationskondensator, der den Frequenzgang begrenzt (grün). Die Spannungsverstärkerstufe dient mit ihrer Stromquelle gleichzeitig als Treiberstufe für die Endstufe. Zwei Dioden (rosa) sorgen für einen gewissen Ruhestrom.
Am Ausgang befindet sich eine Push-Pull-Endstufe (rot). Die Lowside-Endstufe
ist quasikomplementär aufgebaut, so dass als Leistungstransistor ein
NPN-Transistor eingesetzt werden konnte, der üblicherweise bessere
Spezifikationen aufweist
als ein PNP-Transistor.
Die Endstufe arbeitet mit einem eigenen
Massepotential, damit sie die Eingangsstufen möglichst wenig beeinflusst. Die
zweimal drei Massekontakte befinden sich in der Mitte des Packages und dienen
gleichzeitig der Entwärmung. Der LM380 ist auch in einem DIL8-Package erhältlich, das einen
entsprechend höheren Wärmewiderstand mit sich bringt.
Das im Package enthaltene Die ist mit einer zusätzlichen, relativ hartnäckigen Schicht geschützt.
Die Abmessungen des Dies betragen 1,6mm x 1,4mm. Die Maskenrevisionen, die an den Kanten rechts unten und links oben abgebildet sind, lassen darauf schließen, dass das Design dreimal überarbeitet wurde.
Die Highside-Endstufe (rot) und die Lowside-Endstufe (blau) bestehen aus jeweils acht Transistoren. Die Strukturen der Endstufen erinnern an den Längsregler im LM317 von National Semiconductor. Das Kollektorpotential wird den einzelnen Transistoren seitlich, von oben kommend zugeführt. Das Basispotential greift an drei Stellen seitlich in die Transistorstrukturen ein. Das Emitterpotential wird zuerst zur Kollektorzuleitung hin zusammengeführt. Nach unten folgt dann bei jedem Transistorblock ein Emitterwiderstand, der für eine gleichmäßige Stromverteilung sorgt.
An der linken Kante zeigt sich, dass sowohl die Highside, als auch die Lowside mit jeweils einem zusätzlichen Transistor (gelb und grün) zu einer Darlington-Stufe verschaltet wurde. Das Emitterpotential des Treibertransistors ist mit dem Basispotential des Lasttransistors verbunden.
Der komplemäntere PNP-Treibertransistor der Lowside-Endstufe befindet sich
oberhalb des Leistungsteils. Rechts daneben ist auch eine ungenutzte Struktur zu
erkennen, die aber keine Rückschlüsse auf ihre angedachte Funktion zulässt.
Links der Treibertransistoren (gelb/grün) befinden sich zwei
sehr ähnlich erscheinende Schaltungsteile, die die Ansteuerung der
Darlingtontransistoren beeinflussen. Da ansonsten im Bereich der Endstufen keine
weiteren Schaltungen platziert sind, ist es sehr wahrscheinlich, dass die
Schaltungsteile am linken Rand den im Datenblatt
beschriebenen Überstromschutz der Endstufen darstellen. Überraschenderweise ist
keine Strommessung über die Emitterwiderstände zu erkennen, was das übliche
Verfahren ist, um einen Überstromschutz darzustellen.
Betrachtet man die Eingangsstufe, so zeigt sich, dass sie etwas anders
aufgebaut ist als im Datenblatt dargestellt. An den Eingängen befinden sich
Darlington-Transistoren (1a/1b und 2a/2b), die dann die eigentlichen
Differenzverstärkertransistoren 1c und 2c aussteuern. Mittig ist der
Stromspiegel 1d/2d platziert.
Ebenfalls gut erkennbar sind der 1kΩ-Widerstand
und die relativ langen 25kΩ-Widerstände des Differenzverstärkers.