Richi´s Lab

National Semiconductor LM380

LM380

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.

 

LM380 Schaltplan

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.

 

LM380 Die Verguss

Das im Package enthaltene Die ist mit einer zusätzlichen, relativ hartnäckigen Schicht geschützt.

 

LM380 Die

LM380 Die

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.

 

LM380 Die Endstufe

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.

 

LM380 Die Eingang

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.

 

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