利用G類放大器和電荷泵技術(shù)在增強(qiáng)型放大器設(shè)計(jì)

摘要：Maxim采用創(chuàng)新G類技術(shù)和基于電荷泵的架構(gòu)，推出了增強(qiáng)型放大器。這些放大器設(shè)計(jì)可理想用于要求高壓輸出的便攜應(yīng)用，而不會(huì)犧牲效率或PCB空間。本應(yīng)用筆記說(shuō)明在揚(yáng)聲器功率驅(qū)動(dòng)電路中使用電荷泵和G類技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。文中以MAX9730和MAX9788揚(yáng)聲器放大器作為設(shè)計(jì)實(shí)例。

概述

便攜音頻應(yīng)用中存在一個(gè)共同的問(wèn)題，即揚(yáng)聲器放大器的供電電壓有限。這些音頻系統(tǒng)通常采用鋰離子(Li+)電池供電，輸出額定值為3.7V。雖然3.7V電源足以保證系統(tǒng)的大多數(shù)元件正常工作，但是，為了提供令人滿意的聲壓，揚(yáng)聲器放大器需要更高的供電電壓。因此，大多數(shù)揚(yáng)聲器放大器的功率級(jí)都采用橋接負(fù)載配置，以便在揚(yáng)聲器上產(chǎn)生兩倍的電源電壓。

多數(shù)情況下使揚(yáng)聲器電源電壓加倍就足以滿足要求，但有些應(yīng)用需要更大的輸出功率。例如：壓電揚(yáng)聲器(需要較高的電壓驅(qū)動(dòng))或需要較高聲壓的系統(tǒng)(例如GPS設(shè)備)。針對(duì)這些音頻應(yīng)用的需求，唯一的解決方案是提升電源電壓，通常需要一個(gè)單獨(dú)的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，從而增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。

G類放大器MAX9730和MAX9788利用電荷泵提升電源電壓，以解決電源電壓?jiǎn)栴}。MAX9730適用傳統(tǒng)的動(dòng)圈揚(yáng)聲器，而MAX9788適用于陶瓷揚(yáng)聲器。

創(chuàng)新的電荷泵

與標(biāo)準(zhǔn)的5V放大器相比，MAX9730和MAX9788使用電荷泵使輸出電平加倍。電荷泵完全集成在放大器內(nèi)部，僅需兩個(gè)外部電容，可以使用0603微型表面貼裝電容。集成電荷泵產(chǎn)生幅度與電源電壓相等的負(fù)電壓，使供電電壓加倍，最終得到加倍的輸出擺幅。

與DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器不同，電荷泵具有較大的輸出阻抗，帶負(fù)載時(shí)會(huì)導(dǎo)致負(fù)電源跌落。MAX9730和MAX9788的設(shè)計(jì)能夠確保電荷泵的輸出阻抗足夠低，以提供足夠的輸出功率。傳統(tǒng)放大器采用3.7V供電時(shí)，可以向8Ω負(fù)載提供700mW的驅(qū)動(dòng)，MAX9730在同等條件下可以提供1.3W輸出驅(qū)動(dòng)。

獨(dú)特的G類技術(shù)

由于MAX9730和MAX9788用10V放大器替代手持設(shè)備中常見(jiàn)的5V放大器，保持高效率就成為延長(zhǎng)電池壽命的關(guān)鍵。雖然D類技術(shù)具有高效率并常用于手持設(shè)備，但它不符合陶瓷揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)要求。設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)非常明確 — 陶瓷揚(yáng)聲器需要其它驅(qū)動(dòng)技術(shù)。G類放大器，一種并不知名的放大器技術(shù)，由于其完美的適應(yīng)性被推向市場(chǎng)。

G類放大器的工作原理類似于AB類放大器，只是多路供電電壓，而非一路固定電壓。隨著輸入信號(hào)幅度的變化，G類架構(gòu)可以自動(dòng)選擇合適的電源，從而使輸出晶體管的壓降最低，大大提高效率。G類放大器通常由兩路正電源供電，較高的電源用于輸出較高電平，較低的電源用于輸出較低電平。

G類放大器MAX9730和MAX9788則以獨(dú)特的方式利用了G類技術(shù)，它們由電荷泵產(chǎn)生負(fù)壓，而非高、低正電源。當(dāng)放大器產(chǎn)生較小的輸出信號(hào)時(shí)，放大器由電池電壓和地作為供電電源。這種模式下，器件的工作方式與常見(jiàn)的5V AB類放大器(圖1a)類似。當(dāng)輸出信號(hào)超出電源電壓時(shí)，放大器選擇電池電壓和負(fù)電荷泵輸出供電(圖1b)。由此，放大器可以輸出遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)放大器的信號(hào)。


圖1a和1b. 工作在較低電壓(a)和較高電壓(b)的MAX9788 G類輸出級(jí)。

MAX9730和MAX9788可以確保在兩個(gè)電源之間切換不會(huì)產(chǎn)生音頻雜音。當(dāng)輸出信號(hào)達(dá)到VCC和GND供電所允許的極限時(shí)，負(fù)電源被自動(dòng)連接至輸出級(jí)。這樣，輸出信號(hào)不會(huì)在負(fù)擺幅側(cè)出現(xiàn)削頂，但仍會(huì)鉗位其正擺幅。為了校正這一點(diǎn)，放大器給負(fù)極性輸出增加額外的校正信號(hào)，如圖2所示。分別觀察正、負(fù)輸出時(shí)，正半周波形被明顯削頂，而負(fù)半周存在明顯失真。盡管這些信號(hào)出現(xiàn)了嚴(yán)重的失真，但卻被嚴(yán)格控制，充分利用了該架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。施加到負(fù)載上的實(shí)際輸出信號(hào)沒(méi)有失真。


圖2. MAX9788產(chǎn)生的G類輸出波形。

結(jié)論

將G類技術(shù)與負(fù)壓電荷泵相結(jié)合，MAX9730和MAX9788可以為音頻設(shè)計(jì)所面臨的公共問(wèn)題提供有效的解決方案。大多數(shù)內(nèi)部提供升壓的放大器需要大尺寸電感，而MAX9730和MAX9788只需使用兩個(gè)小尺寸電容，有助于節(jié)省PCB空間和成本。MAX9730和MAX9788利用高效G類結(jié)構(gòu)降低電流消耗，改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)。 電荷放大器相關(guān)文章:電荷放大器原理