2024年5月11日发(作者：)

NS4158

防失真、超低EMI、无需滤波器、5W单声道数字音频功放

NS4158用户手册V1.1

NS4158

防失真、超低EMI、无需滤波器、5W单声道数字音频功放

目 录

1

2

3

4

5

6

7

功能说明...........................................................................................................................................................5

主要特性...........................................................................................................................................................5

应用领域...........................................................................................................................................................5

典型应用电路....................................................................................................................................................5

极限参数...........................................................................................................................................................6

电气特性...........................................................................................................................................................6

芯片管脚描述....................................................................................................................................................7

7.1 NS4158封装管脚分配图.................................................................................................................7

7.2 NS4158引脚功能描述.....................................................................................................................8

8

9

NS4158典型参考特性......................................................................................................................................8

NS4158应用说明............................................................................................................................................11

9.1 芯片基本结构描述.........................................................................................................................11

9.2 防失真功能.....................................................................................................................................11

9.3 NS4158应用参数设置...................................................................................................................12

9.3.1 增益计算.........................................................................................................................................12

9.3.2 输入电容Ci和输入电阻Ri选择..................................................................................................12

9.3.3 旁路电容Cb选择...........................................................................................................................12

9.3.4 电源滤波电容选择.........................................................................................................................12

9.3.5 工作模式设置.................................................................................................................................12

9.3.6 磁珠与电容.....................................................................................................................................14

9.4 上电 ,掉电噪声抑制

.......................................................................................................................14

9.5 效率.................................................................................................................................................14

9.6 保护电路.........................................................................................................................................14

10 芯片的封装.....................................................................................................................................................15

NS4158

防失真、超低EMI、无需滤波器、5W单声道数字音频功放

图 目 录

图1 NS4158典型应用电路.............................................................................................................................5

图2 NS4158封装管脚分配图(top view).........................................................................................................7

图3 NS4158原理框图...................................................................................................................................11

图4 假设不受电源电压限制时的音频输出信号..........................................................................................11

图5 普通工作模式下的音频输出信号.........................................................................................................12

图6 防失真工作模式下的音频输出信号.....................................................................................................12

图7 软件设置NS4158工作模式..................................................................................................................13

图8 一线脉冲时序图.....................................................................................................................................13

图9 硬件设置NS4158工作模式..................................................................................................................13

图10 输出端加磁珠应用图...........................................................................................................................14

图11 SOP-8封装尺寸图................................................................................................................................15

表 目 录

表1 芯片最大物理极限值...............................................................................................................................6

表2 NS4158电气特性.....................................................................................................................................6

表3 NS4158管脚描述.....................................................................................................................................8

NS4158

防失真、超低EMI、无需滤波器、5W单声道数字音频功放

1

功能说明

NS4158是一款带防失真功能，超低EMI，无需滤波器，5W高效率的单声道数字音频功放。独特的

防失真功能可以通过检测输出信号的失真，动态调整系统增益，不仅有效防止过载输出对喇叭的损坏，

同时带来舒适的听觉感受。实际应用可以通过软件或者硬件设置放大器工作在防失真模式和普通模式。

软件是通过一线脉冲控制，硬件是通过电平控制。应用非常灵活。NS4158 采用先进的技术，在全带宽范

围内极大地降低了 EMI 干扰，最大限度地减少对其他部件的影响。其输出无需滤波器的 PWM 调制结构

及反馈电阻内置方式减少了外部元件、PCB面积和系统成本。NS4158在5V的工作电压时，能够向2Ω

负载提供5W的输出功率。

NS4158内置过流保护、过热保护及欠压保护功能，有效地保护芯片在异常工作状况下不被损坏。并

且利用扩频技术充分优化全新电路设计,高达 90%以上的效率更加适合低电压，高功率输出的音频系统。

NS4158提供 SOP8封装，额定的工作温度范围为-40℃至85℃。

2

主要特性

防失真功能，软件或者硬件设置工作模式

输出功率：3.0W(4Ω 负载), 3.8W(3Ω 负载), 5.0W(2Ω 负载)

工作电压范围：2.5V～5.5V

0.1%THD+N（2.0W输出功率、5V电源、2Ω负载）

优异的全带宽 EMI抑制能力

优异的“上电，掉电”噪声抑制

高达 90%的效率

高 PSRR：-80dB（217Hz）

过流保护、过热保护、欠压保护

SOP8封装

3

应用领域

 USB 2.1音响

 插卡2.1音响、移动2.1音响

 对箱，普通插卡音响

4

典型应用电路

图1 NS4158典型应用电路

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防失真、超低EMI、无需滤波器、5W单声道数字音频功放

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极限参数

参数

电源电压

储存温度

输入电压

耐ESD电压

结温

推荐工作温度

推荐工作电压

热阻

JC

(SOP8)

JA

(SOP8)

焊接温度

o

C/W

20

o

C/W

80

o

C

220

表1 芯片最大物理极限值

最小值最大值 单位说明

1.8 6 V

o

C

-65 150

-0.3 V

DD

V

8000 V

150

o

C

o

C

-40 85

15秒内

2.2 5.25

注：在极限值之外或任何其他条件下，芯片的工作性能不予保证。

6

电气特性

表2 NS4158电气特性

符号 参数 测试条件 最小值标准值 最大值 单位

限定条件：（TA＝25℃,VDD=5.0V）

V

DD

I

DD

I

SD

V

OS

R

O

PSRR

CMRR

f

SW

η

V

IH

V

IL

电源电压 2.5 5. 5 V

V

DD

=5.0V，

4 mA

V

IN

＝0V，No load

关断漏电流 =V

CTRL

0V 1 µA

输出失调电压 10 40 mV

输出电阻 3

K

217Hz -80 dB

电源抑制比

20KHz -72 dB

共模抑制比 -70 dB

调制频率 V

DD

=2.2V to 5.25V 350 kHz

Po=2.5W,R

L

=4Ω,

效率

90 %

V

DD

=5V

普通模式 0.4V

DD

V

DD

高电平输入电压

(软件设置模式)

防失真模式 0.9 V

DD

V

低电平输入电压

SHUTDOWN 0 0.2

(软件设置模式)

电源静态电流

(软件设置模式) 1 12 us

(软件设置模式) 1 12 us

(软件设置模式) 100 us

普通模式 0.4V

DD

V

DD

V

防失真模式 0.9 1/3V

DD

0.4V

DD

T

HI

CTRL高电平时间

T

LO

CTRL低电平时间

T

OFF

CTRL关断时间

V

CTRL

CTRL阀值

(硬件设置模式)

SHUTDOWM模式 0.2

NS4158

防失真、超低EMI、无需滤波器、5W单声道数字音频功放

THD+N＝1%,

f=1KHz,R

L

=2Ω

THD+N＝1%,

f=1KHz,R

L

=3Ω

THD+N＝1%,

f=1KHz,R

L

=4Ω

THD+N＝10%,

f=1KHz,R

L

=2Ω

THD+N＝10%,

f=1KHz,R

L

=3Ω

THD+N＝10%,

f=1KHz,R

L

=4Ω

THD+N

SNR

总失真度+噪声

4.0

3.2

2.6

4.8

3.8

3.1

W

W

W

W

W

W

P

O

输出功率

（普通模式）

A

VD

=2，f=100Hz

0.1 %

R

L

=2Ω，P

O

=2.0W

信噪比 RL＝2Ω,Po＝2.0W 90 dB

20 ms

1.5 s

-10 dB

=V

DD

3.6V

T

AT

Attack time =V

DD

3.6V

T

RL

Release time

A

MAX

最大衰减增益

7

芯片管脚描述

7.1 NS4158封装管脚分配图

图2 NS4158封装管脚分配图(top view)

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7.2 NS4158引脚功能描述

表3 NS4158管脚描述

符号 管脚号 描述

CTRL 1 工作模式控制

Bypass 2 旁路电容

NC 3 空脚

INN 4 信号输入端

VoN 5 输出负端

VDD 6 电源输入

GND 7 电源地

VoP 8 输出正端

8

NS4158典型参考特性

NS4158

防失真、超低EMI、无需滤波器、5W单声道数字音频功放

NS4158

防失真、超低EMI、无需滤波器、5W单声道数字音频功放

OUTPUT POWER vs SUPPLY VOLTAGE

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

Supply Voltage (V)

R

L

=4Ω+33uH

f=1kHz

THD+N=1%

OUTPUT POWER vs SUPPLY VOLTAGE

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

RL=4Ω+33uH

f=1kHz

THD+N=10%

OUTPUT POWER vs SUPPLY VOLTAGE

6.0

5.4

4.8

RL=2Ω+33uH

f=1kHz

THD+N=10%

O

u

t

p

u

t

P

o

w

e

r

(

W

)

4.2

3.6

3.0

2.4

1.8

1.2

0.6

0

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

Supply Voltage (V)

Supply Voltage (V)

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NS4158应用说明

9.1 芯片基本结构描述

NS4158是一款带防失真功能，超低EMI，无需滤波器，5W高效率的单声道数字音频功放。芯片内

部集成了反馈电阻和部分输入电阻，放大器的增益可以在外围通过输入电阻设置，桥式输出。其原理框

图如下：

6

VDD

4INN

Ri

Rf

VoN

Class-D

Modulator

Output

Stage

5

VoP8

3

Bypass

NCN

Control

Oscillator

NS4158

1

CTRL

Bias

OCPOTP

UVLO

AGND

2

PGND

7

图3 NS4158原理框图

9.2 防失真功能

NS4158有防失真功能。通过CTRL引脚设置可进入防失真工作模式。放大器自动检测输出削顶失

真，自动调整放大器的增益，达到防失真效果。如下图所示：

图4 假设不受电源电压限制时的音频输出信号

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图5 普通工作模式下的音频输出信号

图6 防失真工作模式下的音频输出信号

9.3 NS4158应用参数设置

9.3.1 增益计算

NS4158

增益通过外接输入电阻Ri设置，总增益计算公式为Av=360k/(10k+Ri)。

9.3.2 输入电容Ci和输入电阻

Ri选择

输入电容和输入电阻构成高通滤波器，截止频率为fc=1/(2π*(Ri+10k)*Ci)。在Ri已经确定的情况

下，根据截止频率fc 就可以计算出Ci。

9.3.3 旁路电容Cb选择

Cb决定NS4158静态工作点的稳定性，所以当开启有爆裂的输入信号时它的值非常关键。Cb越大，

芯片的输出倾斜到静态直流电压（即V

DD

/2）越慢，则开启的爆裂声越小。Cb取1uF可得到一个“滴答

声”和“爆裂声”都较小的关断功能。

9.3.4 电源滤波电容选择

在放大器的应用中，电源的旁路设计很重要，特别是对应用方案的噪声性能及电源电

压抑制性

能。设计中要求滤波电容尽量靠近芯片电源脚。典型的电容为10uF的电容并上0.1uF的陶瓷电容。

9.3.5 工作模式设置

NS4158

有两种工作模式：普通模式和防失真模式。通过软件或者硬件都可以设置芯片工作在不同的

模式。

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软件设置

NS4158支持一线脉冲通过CTRL管脚控制NS4158进入不同的工作模式。第一个上升沿工作在普通

模式。第二个上升沿工作在防失真模式。CTRL管脚拉低并且保持100us以上芯片进入关机

（SHUTDOWN）模式。芯片进入关机（SHUTDOWN）模式以后。如要重新进入这两种模式的其中一种

必须重新设置。示意图如下：

图7 软件设置NS4158工作模式

加在CTRL管脚的一线脉冲高电平宽度（T

HI

）要求1us

HI

<12us。低电平宽度（T

LO

）要求

1us

LO

<12us。进入SHUTDOWN模式低电平保持时间（T

OFF

）要求 T

OFF

>100us。时序图如下：

1us

HI

<12us

T

OFF

>100us

1us

LO

<12us

图8 一线脉冲时序图

另外，假如CTRL管脚电平稳定在0.9V-0.4V

DD

之间。芯片工作于防失真模式。

硬件设置

NS4158也支持硬件设置工作模式。通过CTRL管脚电平设置使NS4158进入不同工作模式。CTRL

引脚电压在0.4V

DD

-V

DD

之间，NS4158工作在普通模式；CTRL引脚电压在0.9V-0.4V

DD

之间，NS4158

工作在防失真模式；CTRL引脚电压在0.2V以下，NS4158进入SHUTDOWN模式。

如下图所示：假如V

DD

=5.0V, R1=0Ω时，CTRL引脚电平为V

DD

=5.0V。芯片工作在普通模式；

R1=20k时，CTRL引脚电平为1/3V

DD

=1.7V。芯片工作在防失真模式；CTRL引脚电平<0.2V时，芯片工

作在关机（SHUTDOWN）模式。

V

DD

0Ω/20k

CTRL

R1

R2

10k

0.1uF

图9 硬件设置NS4158工作模式

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9.3.6 磁珠与电容

NS4158

采用先进技术实现了超低EMI良好特性。要充分发挥NS4158功放的性能。应用时从以下几个

方面可以最大限度降低EMI干扰：

1. 功放输出到喇叭的走线，连线尽量短，尽量宽，而且输出布线，连线尽可能远离敏感信号线和电路。

2. 功放电源脚的退耦电容尽可能靠近芯片引脚。电源线，地线最好采用星形接法。

3. 由于空间限制等原因应用环境比较恶劣时在输出端加磁珠和电容可以有效抑制EMI干扰。使用时磁珠

和电容尽可能靠近芯片引脚。以下是NS4158输出端加了磁珠和电容之后的应用设计参考电路：

磁珠

VoN

1000Ω

1nF

磁珠

VoP

1000Ω

1nF

图10 输出端加磁珠应用图

9.4 上电 ,掉电噪声抑制

NS4158 内置上电，掉电噪声抑制电路， 有效地消除了系统在上电、 下电、唤醒和关断操作时可能

出现的瞬态噪声。

9.5 效率

NS4158利用扩展频谱技术充分优化全新数字放大器的电路设计，以提高效率。最高可达90%以上的

效率更加适合低电压大功率输出场合。

9.6 保护电路

当芯片发生输出引脚与电源或地短路，或者输出之间的短路故障时，过流保护电路会关断芯片以防

止芯片被损坏。短路故障消除后，NS4158自动恢复工作。当芯片温度过高时，芯片也会被关断。 温度

下降后，NS4158继续正常工作。当电源电压过低时，芯片同样会被关断，电源电压恢复后，芯片会再次

启动。

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10

芯片的封装

Symbol Dimensions In Millimeters

Min Max

A

A1

A2

b

c

D

E

E1

e

L

θ

1.350 1.750

0.100 0.250

1.350 1.550

0.330 0.510

0.170 0.250

4.700 5.100

3.800 4.000

5.800 6.200

1.270(BSC)

0.400 1.270

0° 8°

Dimensions In Inches

Min Max

0.053 0.069

0.004 0.010

0.053 0.061

0.013 0.020

0.006 0.010

0.185 0.200

0.150 0.157

0.228 0.244

0.050(BSC)

0.016 0.050

0° 8°

图11 SOP-8封装尺寸图