高效D类音频放大器MAX970012的工作原理和应用实例

更新时间:2020-07-26 11:51

  MAX9700/MAX9712是MAXIM公司推出的两款单声道D类音频功率放大器,MAX9712能够以高于85%的效率为8负载提供0.5W的功率,MAX9700的转换效率更是达到90%以上可为8负载提供1.2W的功率。MAXIM专有的低EMI调制方案省去了传统的D类输出滤波器,同时抛弃了笨重的散热器,从而节省了电路板空间,延长了电池寿命,这些特点使它们成为便携式音频应用的合适之选。

  MAX9700/MAX9712采用全差分结构、全桥输出,该新一代D类放大器可提供通常只有AB类放大器才具有的高性能,同时还具有完备的咔嗒声与噼啪声抑制电路,并具有高达72dB的电源抑制比(PSRR)、0.01%总谐波失真及噪声(THD+N)以及高于90dB的SNR。其短路与热过载保护功使该器件在故障条件下能够免于损坏。MAX9700/MAX9712可在2.5~5.5V的宽电压范围内工作,方便与各种电压标准的微处理器连接,此外,它们的静态电流只有4mA?低功耗关断模式下仅为0.1A。MAX9700/MAX9712采用散热效率高、节省空间的封装,两种器件均有10引脚TDFN ,3mm×3mm×0.8mm、10引脚MAX和12焊球UCSPTM 1.5mm×2mm×0.6mm三种封装形式。MAX9700/MAX9712的TDFN/MAX封装引脚图如图1所示,表1列出了它们的引脚功能。

  图2为MAX9700/MAX9712的功能结构简图,差分音频信号由比较器输入,经D类调制后通过H桥放大输出。其工作原理如下:比较器监视MAX9700/MAX9712的输入,并将互补输入电压与锯齿波进行比较,当锯齿波输入幅度超出相应的比较器输入电压时,比较器输出翻转,这两个比较器在第二个比较器输出跳变的上升沿后经过一段固定时间后复位,在第二个比较器的输出端产生了一个脉宽最小的脉冲。当输入电压增大或减小时,如果一个输出脉冲持续时间增加,而另一个输出脉冲持续时间保持不变。这样就使得扬声器两端的净电压发生变化。

  MAX9700/MAX9712提供两种调制方式:固定频率?FFM?模式和扩展频谱?SSM?模式,SSM模式通过调制频率可以降低EMI辐射。另外,它们的振荡器可以通过SYNC输入与外部时钟同步,允许用户自定义开关频率。SYNC输入还允许多个器件串联并锁定频率,以减小时钟互调引起的干扰。MAX9700/MAX9712的调制方式通过SYNC引脚来选择。

  MAX9700/MAX9712具有两种FFM方式:SYNC=GND时,开关频率为1.1MHz;SYNC=FLOAT时开关频率为1.45MHz。在FFM模式下,D类输出频谱由开关频率基波及其相关谐波组成。MAX9712允许开关频率有+32%的变化。

  MAX9700/MAX9712具有受专利保护的扩频模式,这种模式将展宽频谱成分,使得通过扬声器或电缆的EMI辐射降低3dB。SYNC=VDD时器件设置为SSM模式。在SSM模式下开关频率在中心频率1.22MHz附近随机变化120kHz,此时能量分散到随频率增长的整个频宽上。

  SYNC输入允许MAX9700/MAX9712与系统时钟同步或将开关谐波的频谱成分分配到不敏感的频段?在SYNC引脚上施加800kHz~2MHz的外部TTL时钟,可以同步MAX9700/MAX9712的开关频率,其周期可以是随机的。这种模式可使器件方便的配置为单端输入放大器。

  MAX9700/MAX9712独有的调制方案可以省去传统D类放大器所需的LC滤波器,从而提高了效率并降低了成本。在无信号输入时,传统D类放大器输出占空比为50%的方波,如没有滤波器,会产生直流电压,形成负载电流而使功耗增大。由于MAX9700/MAX9712采用差分方式驱动扬声器,两路输出相互抵消,于是空闲模式下扬声器两端的净电压为0,从而降低了功耗。

  将SHDN引脚置为低电平时,MAX9700/MAX9712进入低功耗(0.1A)关断模式,从而延长电池寿命。在标准模式下,该引脚应连至VDD。

  MAX9700/MAX9712具有完备的咔嗒声与噼噗声抑制功能,可以在启动与关断时消除瞬态噪声。关断时,H桥为高阻态,启动或上电时,输入放大器为静音状态,启动35ms后软启动电路解除输入放大器的静音状态。

  传统的D类放大器需要输出滤波器从放大器输出恢复音频信号,而MAX9700/MAX9712无需输出滤波器,该器件利用扬声器线圈自身的电感和扬声器与人耳的天然滤波作用从方波输出中恢复音频成分,省去了输出滤波器,从而提供一个更小、更便宜、更高效的方案。不过,由于MAX9700/MAX9712的输出频率远远超出了大多数扬声器的带宽,由方波频率引起的音频线圈的偏移非常小,为获得最佳效果,可以选用一个大于10H的电感与扬声器串联。

  MAX9700/MAX9712采用差分输入结构,兼容于许多编解码器,并提供比单端输入放大器更强的噪声抑制能力。差分输入可抵消掉作用在输入端的任何共模信号,在蜂窝电话装置中,这一特性用于去除射频发送器中高频共模信号的影响。MAX9700/MAX9712也通过将任一输入端耦合至GND,驱动另一输入端可配置为单端输入放大器。耦合方式既可以采用电容耦合,也可以采用直接直流耦合,只是直流耦合方式省去了耦合电容,也同时失去了电容的低频抑制作用。MAX9700/MAX9712还可级联构成立体声放大器,其电路结构如图3所示。

  其中U1是主放大器,将其未经滤波的输出用来驱动从器件U2的SYNC输入,这样可使两个器件的开关频率同步。同步的两片MAX9700/MAX9712可以确保在音频频谱范围内不会出现差拍频率,无论主器件工作在FFM还是SSM模式下,这种配置均能工作,因为这种SYNC连接方式可以获得出色的THD+N性能,并且器件之间的串扰也很小。U2只跟踪SYNC的信号频率,而不是脉宽,U2内部的反馈回路确保抑制U1输出的音频成分。

  MAX9700/MAX9712的具体应用电路如图4所示,图中:MAX9700或MAX9712对16位凌阳单片机SPCE061A的语音输出信号进行放大,SPCE061A是一款语音特色显著的芯片,其语音压缩算法库可以方便地通过API函数调用。本设计采用MAX9700进行SPCE061语音信号的放大,可以收到良好效果。SPCE061A有两路语音以形成立体声,图中只显示了其中一路(DAC1),SYNC通过单片机IOB1口设置为SSM模式,开关通过IOB2控制,音量可通过电位器CW调节。另外,语音输入的RC通路可以改善上电或停止时的语音质量。设计时,VDD和H桥电源均通过0.1F电容旁路到GND和PGND,GND和PGND采用星形布线与系统地连接,以将地线共阻抗干扰降至最低。