D類數(shù)字音頻放大器MAX9700的性能特點和應用設計分析

引言

MAXIM公司的D類數(shù)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?shù)膬?yōu)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(shù)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(jié)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(diào)制方案則可省去傳統(tǒng)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(diào)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(lián)并鎖定頻率，故可降低時鐘互調(diào)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(nèi)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(shù)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(fā)生故障時損壞器件。MAX9700工作于-40℃～+85℃溫度范圍內(nèi)，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(tǒng)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(tài)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(jié)省空間的封裝形式。

2、 MAX9700的調(diào)制模式

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

擴譜調(diào)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(shù)）內(nèi)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(nèi)展寬。當頻率超過數(shù)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(nèi)，并具有較高的峰值。而在擴譜調(diào)制模式下，其能量包含在較寬的頻帶內(nèi)，這樣可以降低峰值能量。 2.1免濾波器調(diào)制方式

傳統(tǒng)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(diào)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(diào)制拓撲的功能圖。該方式與傳統(tǒng)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(diào)制器由差分音頻信號和高頻鋸齒波驅(qū)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?yōu)楦唠娖?，但這樣會因為RON和CON組成的RC電路而產(chǎn)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?yōu)榈停⒈３值较聜€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(zhuǎn)。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(diào)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(tài)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(shù)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(chǎn)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。

2.2使EMI最小化的擴譜調(diào)制方式

免濾波器工作方式的一個主要缺點是可能通過揚聲器電纜輻射EMI。由于MAX9700的輸出波形為高頻方波，并具有陡峭的過渡邊沿，因此，輸出頻譜會在開關頻率及開關頻率的倍頻處包含大量頻譜能量。這樣，如果在緊靠器件的位置沒有安裝外部輸出濾波器的話，這些高頻能量就會通過揚聲器電纜輻射出去。而MAX9700則采用享有專利的擴譜調(diào)制方案，來幫助緩解可能的EMI問題。

通過抖動或隨機化MAX9700的開關頻率可實現(xiàn)擴譜調(diào)制。實際開關頻率相對于標稱開關頻率的變化范圍可達到±10％。盡管開關波形的各個周期會隨機變化，但占空比不受影響，因此，輸出波形可以保留音頻信息。擴譜調(diào)制能有效展寬輸出信號的頻譜能量，而不是使頻譜能量集中在開關頻率及其各次諧波上。換句話說，輸出頻譜的總能量沒有變，只是重新分布在更寬的頻帶內(nèi)。這樣就降低了輸出端的高頻能量峰，從而將揚聲器電纜輻射EMI降至最少。雖然有些頻譜噪聲也可能由擴譜調(diào)制引入音頻帶寬內(nèi)，但這些噪聲可被反饋環(huán)路的噪聲整形功能抑制。

3、應用設計

3.1放大器差分輸入

MAX9700的單端差動輸入結構可提供超過單端輸入放大器抗擾的能力，并與許多編解碼器相兼容。在蜂窩式移動電話等設備中，來自射頻轉(zhuǎn)發(fā)器的高頻信號可由放大器的輸入跟蹤檢出，共模噪音信號出現(xiàn)在放大器的輸入端。微分輸入放大器則可通過放大兩個輸入端的差分信號來取消了共模噪聲。

3.2單端輸入

通過圖4所示電路可使MAX9700構成單端輸入放大器。其輸入端IN+利用電容器耦合，輸入端IN則通過電容器接地。

3.3立體聲配置

通過兩個MAX9700構成立體聲放大器的電路配置如圖5所示。其中U1為主放大器，將其驅(qū)動輸出端OUT-接從放大器U2的同步輸入端可同步兩個MAX9700的開關頻率，保證兩個MAX9700在音頻范圍內(nèi)沒有差拍頻率產(chǎn)生。該放大器具有良好的THD+N特性，而且沒有串音干擾。

3.4帶音量控制的音頻放大器

MAX9700很容易實現(xiàn)單端驅(qū)動，但在差分輸入阻抗不平衡時，要考慮調(diào)節(jié)問題，傳統(tǒng)的音量調(diào)節(jié)方法由于音量調(diào)節(jié)電位器在上電時可能受到干擾而產(chǎn)生“嘎嘎”聲，這種“嘎嘎”聲雖然在音量最大或最小時不明顯，但在其他情況下，這種聲音都比較明顯。解決的一個辦法就是采用圖6電路。該電路將電位器接在差分輸人端，上電時通過RC網(wǎng)絡同時對兩個輸入端產(chǎn)生影響，從而改善了瞬態(tài)性能，消除上電時的“嘎嘎”聲。

4、 D類放大器的散熱設計

4.1 PCB的散熱

對底部有裸露焊盤的TQFN封裝來說，PCB及其敷銅層是D類放大器主要的散熱渠道。將D類放大器貼裝到常見的PCB，最好根據(jù)以下原則：將裸露焊盤焊接到大面積敷銅塊。盡可能在敷銅塊與l臨近的具有等電勢的D類放大器引腳以及其他元件之間多布一些覆銅。

裸露焊盤相接的敷銅塊應該用多個過孔連接到PCB板背面的其他敷銅塊上。該敷銅塊應該在滿足系統(tǒng)信號走線的要求下，具有盡可能大的面積。

另外，還應當盡量加寬所有與器件的連線，這將有益于改善系統(tǒng)的散熱性能。雖然IC的引腳并不是主要的散熱通道，但實際應用中，仍然會有少量發(fā)熱，因而應采用寬的連線與D類放大器的輸出相連。在這種情況下，電感的銅芯繞線也可為D類放大器提供額外的散熱通道。雖然對整體熱性能的改善不到10％，但這樣的改善卻會給系統(tǒng)帶來兩種截然不同的結果，從而使系統(tǒng)具備較理想的散熱或出現(xiàn)較嚴重的發(fā)熱。

4.2輔助散熱

當D類放大器在較高的環(huán)境溫度下工作時，增加外部散熱片可以改善PCB的熱性能。該散熱片的熱阻必須盡可能小，以使散熱性能最佳。采用底部的裸露焊盤后，PCB底部往往是熱阻最低的散熱通道。IC的頂部并不是器件的主要散熱通道，因此，在此安裝散熱片并不劃算。

5、 結束語

MAX9700型D類放大器除具有AB類放大器的所有優(yōu)點（即良好的線性和最小的電路板空間）外，更具有高效優(yōu)勢。當前，有多種D類放大器可滿足各類應用需求。其中包括低功耗便攜式應用（如蜂窩電話和筆記本電腦）和大功率應用（如車載音響系統(tǒng)或平板顯示器），希望本文對MAX9700的介紹能有助于設計者選擇合適的放大器，并正確權衡某些功能特性的優(yōu)勢和劣勢。

責任編輯：gt