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。對于線性放大器(如AB類)來說，偏置元件和輸出晶體管的線性工作方式會損耗大量功率。而MAX9700的晶體管只是作為開關(guān)使用，主要用來控制流過負(fù)載的電流方向，所以，其輸出級的功耗極低。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和高頻鋸齒波驅(qū)動。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即會閉合。這將使OUT+和OUT-變?yōu)榈?，并保持到下個(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。隨著音頻輸入信號的增加或減小，其中一個(gè)比較器會在另一個(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的半波整流結(jié)果。此后，對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)制模式下的信號波形圖。

由于MAX9700的輸出端在空閑時(shí)為同相信號，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恢復(fù)音頻信號。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，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，這些頻率也無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。

2.2使EMI最小化的擴(kuò)譜調(diào)制方式

免濾波器工作方式的一個(gè)主要缺點(diǎn)是可能通過揚(yáng)聲器電纜輻射EMI。由于MAX9700的輸出波形為高頻方波，并具有陡峭的過渡邊沿，因此，輸出頻譜會在開關(guān)頻率及開關(guān)頻率的倍頻處包含大量頻譜能量。這樣，如果在緊靠器件的位置沒有安裝外部輸出濾波器的話，這些高頻能量就會通過揚(yáng)聲器電纜輻射出去。而MAX9700則采用享有專利的擴(kuò)譜調(diào)制方案，來幫助緩解可能的EMI問題。

通過抖動或隨機(jī)化MAX9700的開關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)譜調(diào)制。實(shí)際開關(guān)頻率相對于標(biāo)稱開關(guān)頻率的變化范圍可達(dá)到±10％。盡管開關(guān)波形的各個(gè)周期會隨機(jī)變化，但占空比不受影響，因此，輸出波形可以保留音頻信息。擴(kuò)譜調(diào)制能有效展寬輸出信號的頻譜能量，而不是使頻譜能量集中在開關(guān)頻率及其各次諧波上。換句話說，輸出頻譜的總能量沒有變，只是重新分布在更寬的頻帶內(nèi)。這樣就降低了輸出端的高頻能量峰，從而將揚(yáng)聲器電纜輻射EMI降至最少。雖然有些頻譜噪聲也可能由擴(kuò)譜調(diào)制引入音頻帶寬內(nèi)，但這些噪聲可被反饋環(huán)路的噪聲整形功能抑制。

3應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1放大器差分輸入

MAX9700的單端差動輸入結(jié)構(gòu)可提供超過單端輸入放大器抗擾的能力，并與許多編解碼器相兼容。在蜂窩式移動電話等設(shè)備中，來自射頻轉(zhuǎn)發(fā)器的高頻信號可由放大器的輸入跟蹤檢出，共模噪音信號出現(xiàn)在放大器的輸入端。微分輸入放大器則可通過放大兩個(gè)輸入端的差分信號來取消了共模噪聲。

 3.2單端輸入

通過圖4所示電路可使MAX9700構(gòu)成單端輸入放大器。其輸入端IN+利用電容器耦合，輸入端IN則通過電容器接地。

3.3立體聲配置

通過兩個(gè)MAX9700構(gòu)成立體聲放大器的電路配置如圖5所示。其中U1為主放大器，將其驅(qū)動輸出端OUT-接從放大器U2的同步輸入端可同步兩個(gè)MAX9700的開關(guān)頻率，保證兩個(gè)MAX9700在音頻范圍內(nèi)沒有差拍頻率產(chǎn)生。該放大器具有良好的THD+N特性，而且沒有串音干擾。

3.4帶音量控制的音頻放大器

MAX9700很容易實(shí)現(xiàn)單端驅(qū)動，但在差分輸入阻抗不平衡時(shí)，要考慮調(diào)節(jié)問題，傳統(tǒng)的音量調(diào)節(jié)方法由于音量調(diào)節(jié)電位器在上電時(shí)可能受到干擾而產(chǎn)生"嘎嘎"聲，這種"嘎嘎"聲雖然在音量最大或最小時(shí)不明顯，但在其他情況下，這種聲音都比較明顯。解決的一個(gè)辦法就是采用圖6電路。該電路將電位器接在差分輸人端，上電時(shí)通過RC網(wǎng)絡(luò)同時(shí)對兩個(gè)輸入端產(chǎn)生影響，從而改善了瞬態(tài)性能，消除上電時(shí)的"嘎嘎"聲。

4 D類放大器的散熱設(shè)計(jì)

4.1 PCB的散熱

對底部有裸露焊盤的TQFN封裝來說，PCB及其敷銅層是D類放大器主要的散熱渠道。將D類放大器貼裝到常見的PCB，最好根據(jù)以下原則：將裸露焊盤焊接到大面積敷銅塊。盡可能在敷銅塊與l臨近的具有等電勢的D類放大器引腳以及其他元件之間多布一些覆銅。

裸露焊盤相接的敷銅塊應(yīng)該用多個(gè)過孔連接到PCB板背面的其他敷銅塊上。該敷銅塊應(yīng)該在滿足系統(tǒng)信號走線的要求下，具有盡可能大的面積。

另外，還應(yīng)當(dāng)盡量加寬所有與器件的連線，這將有益于改善系統(tǒng)的散熱性能。雖然IC的引腳并不是主要的散熱通道，但實(shí)際應(yīng)用中，仍然會有少量發(fā)熱，因而應(yīng)采用寬的連線與D類放大器的輸出相連。在這種情況下，電感的銅芯繞線也可為D類放大器提供額外的散熱通道。雖然對整體熱性能的改善不到10％，但這樣的改善卻會給系統(tǒng)帶來兩種截然不同的結(jié)果，從而使系統(tǒng)具備較理想的散熱或出現(xiàn)較嚴(yán)重的發(fā)熱。

4.2輔助散熱

當(dāng)D類放大器在較高的環(huán)境溫度下工作時(shí)，增加外部散熱片可以改善PCB的熱性能。該散熱片的熱阻必須盡可能小，以使散熱性能最佳。采用底部的裸露焊盤后，PCB底部往往是熱阻最低的散熱通道。IC的頂部并不是器件的主要散熱通道，因此，在此安裝散熱片并不劃算。

5 結(jié)束語

MAX9700型D類放大器除具有AB類放大器的所有優(yōu)點(diǎn)(即良好的線性和最小的電路板空間)外，更具有高效優(yōu)勢。當(dāng)前，有多種D類放大器可滿足各類應(yīng)用需求。其中包括低功耗便攜式應(yīng)用(如蜂窩電話和筆記本電腦)和大功率應(yīng)用(如車載音響系統(tǒng)或平板顯示器)，希望本文對MAX9700的介紹能有助于設(shè)計(jì)者選擇合適的放大器，并正確權(quán)衡某些功能特性的優(yōu)勢和劣勢。