D類(lèi)數字音頻放大器MAX9700及其應用

0引言

MAXIM公司的D類(lèi)數字音頻放大器MAX9700與線(xiàn)性音頻放大器(如A類(lèi)、B類(lèi)和AB類(lèi))相比，在功效上有相當的優(yōu)勢。對于線(xiàn)性放大器(如AB類(lèi))來(lái)說(shuō)，偏置元件和輸出晶體管的線(xiàn)性工作方式會(huì )損耗大量功率。而MAX9700的晶體管只是作為開(kāi)關(guān)使用，主要用來(lái)控制流過(guò)負載的電流方向，所以，其輸出級的功耗極低。MAX9700單聲道D類(lèi)數字音頻功率放大器具有AB類(lèi)放大器的性能和D類(lèi)放大器的效率，并可節省板上空間，大幅降低很多便攜式／緊湊型應用的成本，同時(shí)可延長(cháng)電池壽命。由于采用D類(lèi)結構。MAX9700可為8 Ω負載提供1.2 W功率，效率高達90％以上。而具有專(zhuān)利的低EMI調制方案則可省去傳統D類(lèi)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)模式和擴頻模式兩種調制方案，擴頻模式可降低EMI輻射。此外，MAX9700中的振蕩器還可通過(guò)SYNC輸入同步到一個(gè)外部時(shí)鐘，而且允許用戶(hù)定義開(kāi)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)鐘互調制所造成的干擾。MAX9700具有全差分結構、全橋輸出以及全面的雜音抑制功能。由于其增益可由內部設定(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(guò)載保護功能可防止電路發(fā)生故障時(shí)損壞器件。MAX9700工作于-40℃～+85℃溫度范圍內，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(wú)濾波放大器，符合FCC輻射標準，符合100 mm電纜傳輸標準；
◇具有獨特的擴頻模式，與傳統方案相比，其輻射性能可改善5 dB；
◇可選外部SYNC輸入；
◇簡(jiǎn)單的主從配置，適合立體聲操作；
◇可達到94％的效率；
◇可為8 Ω負載提供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(guò)熱保護功能；
◇采用熱效應好、節省空間的封裝形式。

2 MAX9700的調制模式

MAX9700有兩種調制模式：一是固定頻率調制(FFM)模式；二是擴譜調制(SSM)模式。FFM模式下，鋸齒波的周期保持不變，這一點(diǎn)和傳統的PWM方案相同；擴譜調制模式下，鋸齒波的周期會(huì )逐周發(fā)生改變(變化范圍達±10％)。

擴譜調制模式下，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)可擴展特定帶寬(nfo+10％，n為正整數)內的諧波分量。這樣，大量的頻譜能量就不是集中在開(kāi)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展寬。當頻率超過(guò)數兆赫茲后，寬帶頻譜看起來(lái)就像是白噪聲，因而可達到降低EMI之目的。在FFM模式下，能量包含在較窄的頻帶內，并具有較高的峰值。而在擴譜調制模式下，其能量包含在較寬的頻帶內，這樣可以降低峰值能量。 2.1免濾波器調制方式

傳統D類(lèi)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，也可能因濾波元件的非線(xiàn)性而引入額外失真。而MAX9700采用了先進(jìn)的免濾波器調制方案，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免濾波器調制拓撲的功能圖。該方式與傳統的PWM型BTL放大器不同，它的每個(gè)半橋都有自己專(zhuān)用的比較器，從而可獨立控制每個(gè)輸出。調制器由差分音頻信號和高頻鋸齒波驅動(dòng)。當兩個(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(mén)的輸出也變?yōu)楦唠娖?，但這樣會(huì )因為RON和CON組成的RC電路而產(chǎn)生一定的延時(shí)。一旦或非門(mén)延時(shí)輸出超過(guò)特定門(mén)限，開(kāi)關(guān)SW1和SW2即會(huì )閉合。這將使OUT+和OUT-變?yōu)榈?，并保持到下個(gè)采樣周期的開(kāi)始。這種設計使得兩個(gè)輸出同時(shí)開(kāi)通的時(shí)間(tON(MIN))最短，具體時(shí)間可由RON和CON的值決定。當輸入為零時(shí)，兩個(gè)輸出同相并具有tON(MIN)的脈沖寬度。隨著(zhù)音頻輸入信號的增加或減小，其中一個(gè)比較器會(huì )在另一個(gè)之前先翻轉。這種工作特性外加最短時(shí)間導通電路的作用，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(zhù)每個(gè)輸出的平均值都包含輸出音頻信號的半波整流結果。此后，對兩路輸出的平均值進(jìn)行差值運算，便可得到完整的輸出音頻波形。圖3所示是這種調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，所以負載兩端沒(méi)有差分電壓，從而最大限度降低了靜態(tài)功耗，并且無(wú)需外部濾波器。Maxim的免濾波器D類(lèi)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，而是依靠揚聲器負載固有的電感以及人耳的聽(tīng)覺(jué)特性來(lái)恢復音頻信號。揚聲器電阻(RE)和電感(LE)將形成一個(gè)1階低通濾波器。

對于大多數揚聲器而言，這個(gè)1階滾降足以恢復音頻信號，并可防止在揚聲器電阻上耗散過(guò)多高頻開(kāi)關(guān)能量。即使依然存在殘余開(kāi)關(guān)能量使揚聲器組件產(chǎn)生運動(dòng)，這些頻率也無(wú)法被人耳聽(tīng)到或影響聽(tīng)覺(jué)感受。但應注意：使用免濾波器MAX9700時(shí)，為獲得最大輸出功率，揚聲器負載應保證在放大器開(kāi)關(guān)頻率下仍為感性負載。