D類數字音頻放大器MAX9700及其應用

0引言

MAXIM公司的D類數字音頻放大器MAX9700與線性音頻放大器(如A類、B類和AB類)相比，在功效上有相當的優勢。對于線性放大器(如AB類)來說，偏置元件和輸出晶體管的線性工作方式會損耗大量功率。而MAX9700的晶體管只是作為開關使用，主要用來控制流過負載的電流方向，所以，其輸出級的功耗極低。MAX9700單聲道D類數字音頻功率放大器具有AB類放大器的性能和D類放大器的效率，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，同時可延長電池壽命。由于采用D類結構。MAX9700可為8 Ω負載提供1.2 W功率，效率高達90％以上。而具有專利的低EMI調制方案則可省去傳統D類方案中的輸出濾波器。

1 MAX9700的主要功能特點

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SYNC輸入同步到一個外部時鐘，而且允許用戶定義開關頻率。其SYNC輸入則允許多個MAX9700級聯并鎖定頻率，故可降低時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。短路和熱過載保護功能可防止電路發生故障時損壞器件。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的關鍵特性如下：

◇無濾波放大器，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72 dB)
◇有集成的雜音抑制功能；
◇靜態電流低(4mA)；
◇低功耗關斷模式(0.1μA)；
◇具有短路和過熱保護功能；
◇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，這一點和傳統的PWM方案相同；擴譜調制模式下，鋸齒波的周期會逐周發生改變(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關頻率的各倍頻處，而是在一個隨頻率而增加的帶寬內展寬。當頻率超過數兆赫茲后，寬帶頻譜看起來就像是白噪聲，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類放大器的一個主要缺點就是它需要外部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性而引入額外失真。而MAX9700采用了先進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，它的每個半橋都有自己專用的比較器，從而可獨立控制每個輸出。調制器由差分音頻信號和高頻鋸齒波驅動。當兩個比較器輸出均為低電平時，MAX9700的每個輸出均為高。與此同時，或非門的輸出也變為高電平，但這樣會因為RON和CON組成的RC電路而產生一定的延時。一旦或非門延時輸出超過特定門限，開關SW1和SW2即會閉合。這將使OUT+和OUT-變為低，并保持到下個采樣周期的開始。這種設計使得兩個輸出同時開通的時間(tON(MIN))最短，具體時間可由RON和CON的值決定。當輸入為零時，兩個輸出同相并具有tON(MIN)的脈沖寬度。隨著音頻輸入信號的增加或減小，其中一個比較器會在另一個之前先翻轉。這種工作特性外加最短時間導通電路的作用，將促使一個輸出改變其脈沖寬度，另一個輸出的脈沖寬度保持為tON(MIN)。這種方式意味著每個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的輸出端在空閑時為同相信號，所以負載兩端沒有差分電壓，從而最大限度降低了靜態功耗，并且無需外部濾波器。Maxim的免濾波器D類放大器從輸出中提取音頻信號時，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覺特性來恢復音頻信號。揚聲器電阻(RE)和電感(LE)將形成一個1階低通濾波器。

對于大多數揚聲器而言，這個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多高頻開關能量。即使依然存在殘余開關能量使揚聲器組件產生運動，這些頻率也無法被人耳聽到或影響聽覺感受。但應注意：使用免濾波器MAX9700時，為獲得最大輸出功率，揚聲器負載應保證在放大器開關頻率下仍為感性負載。