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輸入同步到一個外部時鐘，而且允許用戶定義開關(guān)頻率。其SYNC輸入則允許多個MAX9700級聯(lián)并鎖定頻率，故可降低時鐘互調(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，它的每個半橋都有自己專用的比較器，從而可獨(dú)立控制每個輸出。調(diào)制器由差分音頻信號和高頻鋸齒波驅(qū)動。當(dāng)兩個比較器輸出均為低電平時，MAX9700的每個輸出均為高。與此同時，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。一旦或非門延時輸出超過特定門限，開關(guān)SW1和SW2即會閉合。這將使OUT+和OUT-變?yōu)榈?，并保持到下個采樣周期的開始。這種設(shè)計使得兩個輸出同時開通的時間(tON(MIN))最短，具體時間可由RON和CON的值決定。當(dāng)輸入為零時，兩個輸出同相并具有tON(MIN)的脈沖寬度。隨著音頻輸入信號的增加或減小，其中一個比較器會在另一個之前先翻轉(zhuǎn)。這種工作特性外加最短時間導(dǎo)通電路的作用，將促使一個輸出改變其脈沖寬度，另一個輸出的脈沖寬度保持為tON(MIN)。這種方式意味著每個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，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1階低通濾波器。

對于大多數(shù)揚(yáng)聲器而言，這個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，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。