D類音頻功率放大器MAX9700／MAX9712及其應(yīng)用

MAX9700／MAX9712是采用全差分結(jié)構(gòu)和全橋輸出的新一代D類音頻功率放大器，可提供通常只有AB類放大器才具有的高性能，同時(shí)還具有完備的咔嗒聲與噼啪聲抑制電路。該器件具有高達(dá)72DB的電源抑制比(PSRR)、0.01％總諧波失真及噪聲(THD+N)以及高于90 dB的SNR，其短路與過(guò)熱保護(hù)功能可使該器件在故障條件下免于損壞。而其2.5～5.5 V的寬電壓范圍則可方便地與各種電壓標(biāo)準(zhǔn)的微處理器進(jìn)行連接。MAX9712能夠以高于85％的效率為8 Ω負(fù)載提供0.5 W的功率，MAX9700的轉(zhuǎn)換效率更可達(dá)到90％以上，可為8 Ω負(fù)載提供1.2 W的功率。此外，它們的靜態(tài)電流只有4 mA，低功耗關(guān)斷模式下僅為0.1μA。MAXIM專有的低EMI調(diào)制方案省去了傳統(tǒng)的D類輸出濾波器，同時(shí)拋棄了笨重的散熱器，從而有效節(jié)省了電路板空間，延長(zhǎng)了電池壽命。

1 MAX9700／MAX9712的原理及功能特點(diǎn)

1.1 工作原理

圖1是MAX9700／MAX9712的引腳排列圖。圖2為MAX9700／MAX9712的功能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖2中，差分音頻信號(hào)由比較器輸入，經(jīng)D類調(diào)制后通過(guò)H橋放大輸出。其工作原理是通過(guò)比較器監(jiān)視MAX9700／MAX9712的輸入，并將互補(bǔ)輸入電壓與鋸齒波進(jìn)行比較。當(dāng)鋸齒波輸入幅度超出相應(yīng)的比較器輸入電壓時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)。兩個(gè)比較器在第二個(gè)比較器輸出跳變的上升沿后經(jīng)過(guò)一段固定時(shí)間后復(fù)位，從而在第二個(gè)比較器的輸出端產(chǎn)生一個(gè)脈寬最小的脈沖。這樣，當(dāng)輸入電壓增大或減小時(shí)，如果一個(gè)輸出脈沖持續(xù)時(shí)間增加，而另一個(gè)輸出脈沖持續(xù)時(shí)間保持不變，那么，揚(yáng)聲器兩端的凈電壓將發(fā)生變化。

1.2 調(diào)制方式選擇

MAX9700／MAX9712具有兩種工作模式：固定頻率調(diào)制(FFM)模式和擴(kuò)頻調(diào)制(SSM)模式。MAX9700／MAX9712具有兩種FFM方式。當(dāng)SYNC=GND時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率為1.1 MHz；而SYNC=FLOAT時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率為1.45 MHz。在FFM模式下，D類輸出頻譜由開(kāi)關(guān)頻率基波及其相關(guān)諧波組成。MAX9712允許開(kāi)關(guān)頻率有+32％的變化。而MAX9700／MAX9712的擴(kuò)頻模式將展寬頻譜成分，并可使得通過(guò)揚(yáng)聲器或電纜的EMI輻射降低3dB。SYNC=GND時(shí)，器件設(shè)置為SSM模式。在SSM模式下，開(kāi)關(guān)頻率在中心頻率1.22 MHz附近隨機(jī)變化±120 kHz，此時(shí)能量將分散到隨頻率增長(zhǎng)的整個(gè)頻寬上。此時(shí)雖然調(diào)制方案不變，但鋸齒波的頻率會(huì)隨周期改變，其能量將分散到隨頻率增長(zhǎng)的整個(gè)頻帶寬度中，而不是將大量頻譜能量集中在開(kāi)關(guān)頻率的倍頻處。實(shí)際上，在高于幾MHz的頻帶上，EMI等效于寬帶頻譜的白噪聲。這種方法與傳統(tǒng)方案相比，采用擴(kuò)頻模式可使輻射指標(biāo)改善5 dB。

1.3 無(wú)濾波調(diào)制／共?？臻e方式

由于MAX9700／MAX9712獨(dú)有的調(diào)制方案可以省去傳統(tǒng)D類放大器所需的LC濾波器，因而可提高效率并降低成本。因?yàn)樵跓o(wú)信號(hào)輸入時(shí)，傳統(tǒng)D類放大器的輸出占空比為50％的方波，這樣，如沒(méi)有濾波器，則會(huì)產(chǎn)生直流電壓并形成負(fù)載電流而使功耗增大。而MAX9700／MAX9712則采用差分方式驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，兩路輸出可相互抵消，因而在空閑模式下，其揚(yáng)聲器兩端的凈電壓為0，故可降低功耗。

1.4 關(guān)斷

將SHDN引腳置低時(shí)，MAX9700／MAX9712進(jìn)入低功耗(0.1μA)關(guān)斷模式，該模式可延長(zhǎng)電池壽命。而在標(biāo)準(zhǔn)模式下，該引腳應(yīng)連至VDD。

1.5 咔嗒聲與噼噗聲抑制

MAX9700／MAX9712具有完備的咔嗒聲與噼噗聲抑制功能，可在啟動(dòng)與關(guān)斷時(shí)消除瞬態(tài)噪聲。關(guān)斷時(shí)，H橋?yàn)楦咦钁B(tài)；而在啟動(dòng)或上電時(shí)，輸入放大器為靜音狀態(tài)，然后在啟動(dòng)35 ms后，軟啟動(dòng)電路解除輸入放大器的靜音狀態(tài)。

1.6 低EMI調(diào)制結(jié)構(gòu)

MAX9700／MAX9712可以利用獨(dú)特的調(diào)制結(jié)構(gòu)以D類效率提供AB類放大器的性能，而且占用電路板空間很小。MAX9712可為8 W負(fù)載提供500mW的功率，MAX9700能夠?yàn)? W負(fù)載提供高達(dá)1.2 W的功率。這兩種放大器內(nèi)部有兩路比較器對(duì)其輸入進(jìn)行監(jiān)視，并將互補(bǔ)輸入電壓與鋸齒波進(jìn)行比較。當(dāng)鋸齒波輸入幅度超出相應(yīng)的比較器輸入電壓時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)。當(dāng)輸入電壓增大或減小時(shí)，第一個(gè)跳變的比較器輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間增加，而另一個(gè)比較器跳變后輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間為tON。一般對(duì)于一定的輸入信號(hào)電平，比較器輸出是一個(gè)脈寬調(diào)制的方波信號(hào)，其周期由鋸齒波振蕩器的頻率決定，PWM信號(hào)用于控制H橋驅(qū)動(dòng)器，以打開(kāi)或者關(guān)閉狀態(tài)相反的一對(duì)MOSFET，從而使揚(yáng)聲器兩端的凈電壓(VOUT+-VOUT-)隨輸入信號(hào)發(fā)生變化，以便有效采集音頻輸入。放大器的動(dòng)態(tài)范圍由噪聲幅度和鋸齒波信號(hào)幅度決定。

1.7 高效率問(wèn)題

D類放大器的效率由輸出級(jí)晶體管的工作時(shí)間決定。在D類放大器中，輸出晶體管如同一個(gè)電流調(diào)整開(kāi)關(guān)(所消耗的額外功率可以忽略不計(jì))，與D類輸出級(jí)有關(guān)的功率損耗主要都是由MOSFET導(dǎo)通電阻與靜態(tài)電流消耗產(chǎn)生的IR損耗。D類放大器在加上負(fù)載后，其輸出失調(diào)電壓不會(huì)明顯增大靜態(tài)電流，這是D類放大器功率轉(zhuǎn)換的結(jié)果。如在AB類器件中，8 mV的直流失調(diào)電壓通過(guò)8 W負(fù)載會(huì)額外消耗1 mA的電流。而對(duì)D類器件來(lái)說(shuō)，8 mV的直流失調(diào)電壓通過(guò)8 W負(fù)載時(shí)僅額外消耗8 mW的功率。線性放大器理論上的最佳效率為78％，但該效率僅出現(xiàn)在輸出功率的峰值處。通常在標(biāo)準(zhǔn)工作電平(典型的音樂(lè)再生電平)下，效率會(huì)降到30％以下，而在相同條件下，MAX9700則可保持80％以上的效率。

為了進(jìn)一步節(jié)省功率，MAX9700／MAX9712還提供有關(guān)斷模式，關(guān)斷模式下的電流損耗僅0.1mA，故可有效降低功耗、延長(zhǎng)電池壽命。此外，放大器內(nèi)部也提供有完備的噪聲抑制功能，可以在啟動(dòng)與關(guān)斷時(shí)消除瞬態(tài)噪聲。關(guān)斷時(shí)，H橋?yàn)楦咦钁B(tài)；啟動(dòng)或上電時(shí)，輸入放大器為靜音狀態(tài)，內(nèi)部回路將調(diào)制器偏置電壓設(shè)置到正確的電平，避免在隨后啟動(dòng)H橋時(shí)產(chǎn)生咔嗒聲和噼噗聲。啟動(dòng)35 ms后，軟啟動(dòng)電路解除輸入放大器的靜音狀態(tài)。

2 MAX9700／MAX9712的應(yīng)用電路

傳統(tǒng)的D類放大器需要用輸出濾波器從放大器的輸出信號(hào)中恢復(fù)音頻信號(hào)，而MAX9700／MAX9712則無(wú)需輸出濾波器。MAX9700／MAX9712器件利用揚(yáng)聲器線圈自身的電感和揚(yáng)聲器與人耳的天然濾波作用來(lái)從方波輸出中恢復(fù)音頻成分，因而省去了輸出濾波器，故可提供一個(gè)更小、更便宜、更高效的方案。不過(guò)，由于MAX9700／MAX9712的輸出頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了大多數(shù)揚(yáng)聲器的帶寬，而方波頻率引起的音頻線圈的偏移又非常小，因此，為獲得最佳效果，應(yīng)選用大于10μH的電感與揚(yáng)聲器串聯(lián)。

MAX9700／MAX9712采用差分輸入結(jié)構(gòu)，兼容于許多編解碼器，并可提供比單端輸入放大器更強(qiáng)的噪聲抑制能力。差分輸入可抵消作用在輸入端的任何共模信號(hào)。在蜂窩電話裝置中，這一特性可用于去除射頻發(fā)送器中高頻共模信號(hào)的影響。MAX9700／MAX9712也可將任一輸入端接至GND，而驅(qū)動(dòng)另一輸入端以將其配置為單端輸入放大器。耦合方式既可以采用電容耦合，也可以采用直接直流耦合，只是直流耦合方式省去了耦合電容，但同時(shí)也失去了電容的低頻抑制作用。此外，MAX9700／MAX9712還可級(jí)聯(lián)構(gòu)成立體聲放大器，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中，U1是主放大器，其未經(jīng)濾波的輸出可用來(lái)驅(qū)動(dòng)從器件U2的SYNC輸入，這樣可使兩個(gè)器件的開(kāi)關(guān)頻率同步。同步的兩片MAX9700／MAX9712可以確保在音頻頻譜范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)差拍頻率。實(shí)際上，無(wú)論主器件工作在FFM還是SSM模式下，這種配置均能工作，因?yàn)檫@種SYNC連接方式可以獲得出色的THD+N性能，而且器件之間的串?dāng)_也很小。U2只跟蹤SYNC的信號(hào)頻率，而不是脈寬，因此，U2內(nèi)部的反饋回路可確保抑制U1輸出的音頻成分。

MAX9700／MAX9712的具體應(yīng)用電路如圖4所示，圖中，MAX9700或／MAX9712可對(duì)16位凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061A的語(yǔ)音輸出信號(hào)進(jìn)行放大。SPCE061A是一款語(yǔ)音特色顯著的單片機(jī)芯片，其語(yǔ)音壓縮算法庫(kù)可以方便地通過(guò)APl函數(shù)調(diào)用。本設(shè)計(jì)采用MAX9700對(duì)SPCE061A語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行放大，可以收到良好效果。SPCE061A有兩路語(yǔ)音可以形成立體聲。圖中只顯示了其中一路(DAC1)。SYNC可通過(guò)單片機(jī)的IOBl口設(shè)置為SSM模式，開(kāi)關(guān)可通過(guò)IOB2控制，音量可通過(guò)電位器CW調(diào)節(jié)。另外，由于語(yǔ)音輸入的RC通路可以改善上電或停止時(shí)的語(yǔ)音質(zhì)量。因此，本設(shè)計(jì)中，VDD和H橋電源均通過(guò)0.1μF電容旁路到GND和PGND，GND和PGND則采用星形布線與系統(tǒng)地連接，以便將地線共阻抗干擾降至最低。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用MAX9700／MAX9712與凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A設(shè)計(jì)的語(yǔ)音輸出信號(hào)放大電路可廣泛用于PDA、MP3播放器、蜂窩電話以及各種需要音頻控制和放大的應(yīng)用場(chǎng)合，而且采用本方案具有EMI低、免濾波、占用線極面積小等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣。