D類數(shù)字音頻放大器MAX9700及其應(yīng)用

0引言

MAXIM公司的D類數(shù)字音頻放大器MAX9700與線性音頻放大器(如A類、B類和AB類)相比，在功效上有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。對(duì)于線性放大器(如AB類)來(lái)說(shuō)，偏置元件和輸出晶體管的線性工作方式會(huì)損耗大量功率。而MAX9700的晶體管只是作為開關(guān)使用，主要用來(lái)控制流過負(fù)載的電流方向，所以，其輸出級(jí)的功耗極低。MAX9700單聲道D類數(shù)字音頻功率放大器具有AB類放大器的性能和D類放大器的效率，并可節(jié)省板上空間，大幅降低很多便攜式／緊湊型應(yīng)用的成本，同時(shí)可延長(zhǎng)電池壽命。由于采用D類結(jié)構(gòu)。MAX9700可為8 Ω負(fù)載提供1.2 W功率，效率高達(dá)90％以上。而具有專利的低EMI調(diào)制方案則可省去傳統(tǒng)D類方案中的輸出濾波器。

1 MAX9700的主要功能特點(diǎn)

MAX9700提供有固定頻率(FFM)模式和擴(kuò)頻模式兩種調(diào)制方案，擴(kuò)頻模式可降低EMI輻射。此外，MAX9700中的振蕩器還可通過SYNC輸入同步到一個(gè)外部時(shí)鐘，而且允許用戶定義開關(guān)頻率。其SYNC輸入則允許多個(gè)MAX9700級(jí)聯(lián)并鎖定頻率，故可降低時(shí)鐘互調(diào)制所造成的干擾。MAX9700具有全差分結(jié)構(gòu)、全橋輸出以及全面的雜音抑制功能。由于其增益可由內(nèi)部設(shè)定(MAX9700A：6 dB，MAX9700B：12 dB，MAX9700C：15.6 dB，MAX9700D：20 dB)，因而進(jìn)一步減少了外部元件的數(shù)目。

MAX9700具有72dB的高PSRR、0.01％的低THD+N及90dB以上的SNR。短路和熱過載保護(hù)功能可防止電路發(fā)生故障時(shí)損壞器件。MAX9700工作于-40℃～+85℃溫度范圍內(nèi)，具有10引腳TDFN封裝、10引腳μMAX?或12焊球UCSPTM封裝形式。其管腳排列如圖1所示。

MAX9700的關(guān)鍵特性如下：

◇無(wú)濾波放大器，符合FCC輻射標(biāo)準(zhǔn)，符合100 mm電纜傳輸標(biāo)準(zhǔn)；
◇具有獨(dú)特的擴(kuò)頻模式，與傳統(tǒng)方案相比，其輻射性能可改善5 dB；
◇可選外部SYNC輸入；
◇簡(jiǎn)單的主從配置，適合立體聲操作；
◇可達(dá)到94％的效率；
◇可為8 Ω負(fù)載提供1.2 W功率；
◇具有0.01％低THD+N和較高的PSRR (217Hz時(shí)72 dB)
◇有集成的雜音抑制功能；
◇靜態(tài)電流低(4mA)；
◇低功耗關(guān)斷模式(0.1μA)；
◇具有短路和過熱保護(hù)功能；
◇采用熱效應(yīng)好、節(jié)省空間的封裝形式。

2 MAX9700的調(diào)制模式

MAX9700有兩種調(diào)制模式：一是固定頻率調(diào)制(FFM)模式；二是擴(kuò)譜調(diào)制(SSM)模式。FFM模式下，鋸齒波的周期保持不變，這一點(diǎn)和傳統(tǒng)的PWM方案相同；擴(kuò)譜調(diào)制模式下，鋸齒波的周期會(huì)逐周發(fā)生改變(變化范圍達(dá)±10％)。

擴(kuò)譜調(diào)制模式下，其周期的逐周期變化可降低基波頻率下(fo±10％)的頻譜能量，同時(shí)可擴(kuò)展特定帶寬(nfo+10％，n為正整數(shù))內(nèi)的諧波分量。這樣，大量的頻譜能量就不是集中在開關(guān)頻率的各倍頻處，而是在一個(gè)隨頻率而增加的帶寬內(nèi)展寬。當(dāng)頻率超過數(shù)兆赫茲后，寬帶頻譜看起來(lái)就像是白噪聲，因而可達(dá)到降低EMI之目的。在FFM模式下，能量包含在較窄的頻帶內(nèi)，并具有較高的峰值。而在擴(kuò)譜調(diào)制模式下，其能量包含在較寬的頻帶內(nèi)，這樣可以降低峰值能量。 2.1免濾波器調(diào)制方式

傳統(tǒng)D類放大器的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是它需要外部LC濾波器。這不僅增加了方案總成本和電路板空間，也可能因?yàn)V波元件的非線性而引入額外失真。而MAX9700采用了先進(jìn)的免濾波器調(diào)制方案，從而可省掉(至少可以最大限度地降低)外部濾波器的要求。

圖2給出了MAX9700免濾波器調(diào)制拓?fù)涞墓δ軋D。該方式與傳統(tǒng)的PWM型BTL放大器不同，它的每個(gè)半橋都有自己專用的比較器，從而可獨(dú)立控制每個(gè)輸出。調(diào)制器由差分音頻信號(hào)和高頻鋸齒波驅(qū)動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)比較器輸出均為低電平時(shí)，MAX9700的每個(gè)輸出均為高。與此同時(shí)，或非門的輸出也變?yōu)楦唠娖?，但這樣會(huì)因?yàn)镽ON和CON組成的RC電路而產(chǎn)生一定的延時(shí)。一旦或非門延時(shí)輸出超過特定門限，開關(guān)SW1和SW2即會(huì)閉合。這將使OUT+和OUT-變?yōu)榈停⒈３值较聜€(gè)采樣周期的開始。這種設(shè)計(jì)使得兩個(gè)輸出同時(shí)開通的時(shí)間(tON(MIN))最短，具體時(shí)間可由RON和CON的值決定。當(dāng)輸入為零時(shí)，兩個(gè)輸出同相并具有tON(MIN)的脈沖寬度。隨著音頻輸入信號(hào)的增加或減小，其中一個(gè)比較器會(huì)在另一個(gè)之前先翻轉(zhuǎn)。這種工作特性外加最短時(shí)間導(dǎo)通電路的作用，將促使一個(gè)輸出改變其脈沖寬度，另一個(gè)輸出的脈沖寬度保持為tON(MIN)。這種方式意味著每個(gè)輸出的平均值都包含輸出音頻信號(hào)的半波整流結(jié)果。此后，對(duì)兩路輸出的平均值進(jìn)行差值運(yùn)算，便可得到完整的輸出音頻波形。圖3所示是這種調(diào)制模式下的信號(hào)波形圖。

由于MAX9700的輸出端在空閑時(shí)為同相信號(hào)，所以負(fù)載兩端沒有差分電壓，從而最大限度降低了靜態(tài)功耗，并且無(wú)需外部濾波器。Maxim的免濾波器D類放大器從輸出中提取音頻信號(hào)時(shí)，并不依靠外部LC濾波器，而是依靠揚(yáng)聲器負(fù)載固有的電感以及人耳的聽覺特性來(lái)恢復(fù)音頻信號(hào)。揚(yáng)聲器電阻(RE)和電感(LE)將形成一個(gè)1階低通濾波器。

對(duì)于大多數(shù)揚(yáng)聲器而言，這個(gè)1階滾降足以恢復(fù)音頻信號(hào)，并可防止在揚(yáng)聲器電阻上耗散過多高頻開關(guān)能量。即使依然存在殘余開關(guān)能量使揚(yáng)聲器組件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，這些頻率也無(wú)法被人耳聽到或影響聽覺感受。但應(yīng)注意：使用免濾波器MAX9700時(shí)，為獲得最大輸出功率，揚(yáng)聲器負(fù)載應(yīng)保證在放大器開關(guān)頻率下仍為感性負(fù)載。