低EMI、D類(lèi)音頻放大器及其應用

PDA、MP3播放器、蜂窩電話(huà)等便攜式音頻裝置的設計通常受電源噪聲、空間有限、與數字電路共用電源/接地等諸多因素的影響，最終用戶(hù)在要求提高音頻性能的同時(shí)還要求延長(cháng)電池的工作壽命，這些需求往往相互沖突，延長(cháng)電池的工作時(shí)間需要隨時(shí)關(guān)斷那些不工作的電路，這將產(chǎn)生一些明顯的音頻干擾。因此便攜式產(chǎn)品音頻電路的設計需滿(mǎn)足尺寸小、性能高、噪聲低、能夠與ASIC、處理器和DC-DC轉換器協(xié)同工作等要求。開(kāi)關(guān)型音頻放大器(D類(lèi))具有較高的效率，但是，由于D類(lèi)放大器實(shí)際上是把音頻信號變成了非線(xiàn)性脈沖，所產(chǎn)生的失真是顯而易見(jiàn)的，需要輸出濾波器從放大器輸出恢復音頻信號，同時(shí)，濾波器也增加了成本，增大了放大器的尺寸。Maxim新推出的D類(lèi)音頻功率放大器(MAX9700/MAX9712)對開(kāi)關(guān)模式放大技術(shù)作了一些重要改進(jìn)，利用獨特的調制結構省去了輸出濾波器，可為便攜式產(chǎn)品提供一種更小、更便宜、效率更高的方案。

低EMI調制結構
MAX9700/MAX9712利用獨特的調制結構以D類(lèi)效率提供AB類(lèi)放大器的性能，占用很小電路板空間。MAX9712可為8W負載提供500mW的功率，MAX9700能夠為8W負載提供高達1.2W的功率。放大器內部有兩路比較器對其輸入進(jìn)行監視，并將互補輸入電壓與鋸齒波進(jìn)行比較。當鋸齒波輸入幅度超出相應的比較器輸入電壓時(shí)，比較器輸出翻轉。當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時(shí)間增加，而另一個(gè)比較器跳變后輸出脈沖的持續時(shí)間為tON。對于一定的輸入信號電平，比較器輸出是一個(gè)脈寬調制的方波信號，周期由鋸齒波振蕩器的頻率決定，PWM信號控制H橋驅動(dòng)器，打開(kāi)或者關(guān)閉狀態(tài)相反的一對MOSFET，使得揚聲器兩端的凈電壓(VOUT+ - VOUT-)隨輸入信號發(fā)生變化，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幅度決定。
工作模式
MAX9700/MAX9712具有兩種工作模式：固定頻率調制(FFM)模式和擴頻調制(SSM)模式。FFM模式下可通過(guò)SYNC引腳選擇頻率，SYNC=GND時(shí)開(kāi)關(guān)頻率為1.1MHz、SYNC = FLOAT時(shí)開(kāi)關(guān)頻率為1.45MHz。另外，在SYNC引腳上施加800kHz~2MHz的外部TTL時(shí)鐘，可以使放大器與系統時(shí)鐘同步(提供完全同步的系統)或將開(kāi)關(guān)諧波的頻譜成分分配到不敏感的頻段。SYNC = VDD時(shí)放大器工作在SSM模式，在SSM模式下，開(kāi)關(guān)頻率在中心頻率(1.22MHz)附近隨機變化?20kHz。調制方案不變，但鋸齒波的頻率隨周期改變，此時(shí)能量分散到隨頻率增長(cháng)的整個(gè)頻寬上，而不是將大量頻譜能量集中在開(kāi)關(guān)頻率的倍頻處。在高于幾MHz的頻帶上，EMI等效于寬帶頻譜的白噪聲，與傳統方案相比，擴頻模式使輻射指標改善5dB。
無(wú)濾波調制
MAX9700/MAX9712采用特有的調制方案，可以省去傳統D類(lèi)放大器所需的LC濾波器，既提高了效率、減少了元件數，又節省了電路板空間和系統成本。當MAX9700/MAX9712輸入端沒(méi)有信號時(shí)，輸出開(kāi)關(guān)波形如圖1所示。由于放大器采用差分方式驅動(dòng)揚聲器，兩路輸出互相抵消，于是揚聲器兩端空閑模式下的凈電壓為0，降低了功耗。另外，因為MAX9712的輸出頻率遠遠超出了大多數揚聲器的帶寬，由開(kāi)關(guān)頻率引起的音頻線(xiàn)圈的偏移非常小，利用揚聲器線(xiàn)圈自身的電感和揚聲器與人耳的天然濾波作用即可從方波輸出中恢復音頻成分。為獲得最佳效果，也可以用一個(gè)大于10mH的電感與揚聲器串聯(lián)。

效率問(wèn)題
D類(lèi)放大器的效率由輸出級晶體管的工作時(shí)間決定。在D類(lèi)放大器中，輸出晶體管如同一個(gè)電流調整開(kāi)關(guān)，所消耗的額外功率可以忽略不計，任何與D類(lèi)輸出級有關(guān)的功率損耗主要是由MOSFET導通電阻與消耗靜態(tài)電流產(chǎn)生的I