電荷泵技術(shù)在G類放大器中的應(yīng)用

1 引言

　　便攜音頻應(yīng)用中存在一個(gè)共同問題，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3．7 V。雖然3．7 V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2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。

2 創(chuàng)新的電荷泵

　　與標(biāo)準(zhǔn)的5 V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,僅需兩只外部電容,可采用0603微型表面貼封裝的電容。集成電荷泵產(chǎn)生幅值與電源電壓相等的負(fù)電壓,使供電電壓加倍,最終獲得加倍的輸出擺幅。

　　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3．7 V供電時(shí),可以向8 Ω負(fù)載提供700 mW的驅(qū)動(dòng)功率，而MAX9730在同等條件下可以提供1．3 W輸出驅(qū)動(dòng)功率。

3 獨(dú)特的G類技術(shù)

　　由于MAX9730和MAX9788用10 V放大器替代便攜設(shè)備中常見的5 V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便攜設(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)聲器需要其他驅(qū)動(dòng)技術(shù)。因此，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,區(qū)別在于G類放大器是多路供電電壓,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)自動(dòng)選擇合適電源，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,高電源用于輸出較高電平，低電源用于輸出低電平。

　　G類放大器MAX9730和MAX9788則以獨(dú)特的方式利用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的5 V 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，G類放大器的輸出信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)放大器的信號(hào)。

　　MAX9730和MAX9788可以確保在兩電源之間切換不會(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，仍箝位于其正擺幅。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)沒有失真。

4 結(jié)束語

　　將G類技術(shù)與負(fù)壓電荷泵相結(jié)合，MAX9730和MAX9788可為音頻設(shè)計(jì)所存在的共同問題提供了有效解決方案。大多數(shù)內(nèi)部提供升壓的放大器都需要大尺寸電感，而MAX9730和MAX9788只需使用兩只小尺寸電容即可，有助于節(jié)省PCB空間和成本。MAX9730和MAX9788利用高效G類架構(gòu)降低電流消耗，并改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)。