單聲道D類音頻功率放大器MAX9700/12的原理、功能和應用分析

1 概述

MAX9700/MAX9712是MAXIM公司推出的兩款單聲道D類音頻功率放大器，MAX9712能夠以高于85%的效率為8Ω負載提供0.5W的功率，

MAX9700的轉(zhuǎn)換效率更是達到90%以上可為8Ω負載提供1.2W的功率?MAXIM專有的低EMI調(diào)制方案省去了傳統(tǒng)的D類輸出濾波器？同時拋棄了笨重的散熱器，從而節(jié)省了電路板空間，延長了電池壽命，這些特點使它們成為便攜式音頻應用的合適之選?

MAX9700/MAX9712采用全差分結(jié)構(gòu)?全橋輸出，該新一代D類放大器可提供通常只有AB類放大器才具有的高性能，同時還具有完備的咔嗒聲與噼啪聲抑制電路，并具有高達72dB的電源抑制比（PSRR）?0.01%總諧波失真及噪聲（THD+N）以及高于90dB的SNR?其短路與熱過載保護功使該器件在故障條件下能夠免于損壞?MAX9700/MAX9712可在2.5~5.5V的寬電壓范圍內(nèi)工作，方便與各種電壓標準的微處理器連接，此外，它們的靜態(tài)電流只有4mA低功耗關(guān)斷模式下僅為0.1μA?MAX9700/MAX9712采用散熱效率高?節(jié)省空間的封裝，兩種器件均有10引腳TDFN 3mm%26;#215;3mm%26;#215;0.8mm ?10引腳μMAX和12焊球UCSPTM 1.5mm%26;#215;2mm%26;#215;0.6mm 三種封裝形式?MAX9700/MAX9712的TDFN/μMAX封裝引腳圖如圖1所示，表1列出了它們的引腳功能?

2 功能及原理

2.1 工作原理

圖2為MAX9700/MAX9712的功能結(jié)構(gòu)簡圖，差分音頻信號由比較器輸入，經(jīng)D類調(diào)制后通過H橋放大輸出?其工作原理如下：比較器監(jiān)視MAX9700/MAX9712的輸入，并將互補輸入電壓與鋸齒波進行比較，當鋸齒波輸入幅度超出相應的比較器輸入電壓時，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，這兩個比較器在第二個比較器輸出跳變的上升沿后經(jīng)過一段固定時間后復位，在第二個比較器的輸出端產(chǎn)生了一個脈寬最小的脈沖?當輸入電壓增大或減小時，如果一個輸出脈沖持續(xù)時間增加，而另一個輸出脈沖持續(xù)時間保持不變?這樣就使得揚聲器兩端的凈電壓發(fā)生變化?

2.2 調(diào)制方式選擇

MAX9700/MAX9712提供兩種調(diào)制方式：固定頻率？FFM 模式和擴展頻譜？SSM 模式，SSM模式通過調(diào)制頻率可以降低EMI輻射?另外，它們的振蕩器可以通過SYNC輸入與外部時鐘同步，允許用戶自定義開關(guān)頻率?SYNC輸入還允許多個器件串聯(lián)并鎖定頻率，以減小時鐘互調(diào)引起的干擾?MAX9700/MAX9712的調(diào)制方式通過SYNC引腳來選擇?

（1）固定頻率調(diào)制（FFM）模式

MAX9700/MAX9712具有兩種FFM方式：SYNC=GND時，開關(guān)頻率為1.1MHz;SYNC=FLOAT時開關(guān)頻率為1.45MHz?在FFM模式下，D類輸出頻譜由開關(guān)頻率基波及其相關(guān)諧波組成?MAX9712允許開關(guān)頻率有+32%的變化?

（2）擴頻調(diào)制（SSM）模式

MAX9700/MAX9712具有受專利保護的擴頻模式，這種模式將展寬頻譜成分，使得通過揚聲器或電纜的EMI輻射降低3dB?SYNC=VDD時器件設置為SSM模式?在SSM模式下開關(guān)頻率在中心頻率1.22MHz附近隨機變化%26;#177;120kHz，此時能量分散到隨頻率增長的整個頻寬上?

2.3 外部時鐘模式

SYNC輸入允許MAX9700/MAX9712與系統(tǒng)時鐘同步或?qū)㈤_關(guān)諧波的頻譜成分分配到不敏感的頻段？在SYNC引腳上施加800kHz~2MHz的外部TTL時鐘，可以同步MAX9700/MAX9712的開關(guān)頻率，其周期可以是隨機的?這種模式可使器件方便的配置為單端輸入放大器?

2.4 無濾波調(diào)制/共模空閑方式

MAX9700/MAX9712獨有的調(diào)制方案可以省去傳統(tǒng)D類放大器所需的LC濾波器，從而提高了效率并降低了成本?在無信號輸入時，傳統(tǒng)D類放大器輸出占空比為50%的方波，如沒有濾波器，會產(chǎn)生直流電壓，形成負載電流而使功耗增大?由于MAX9700/MAX9712采用差分方式驅(qū)動揚聲器，兩路輸出相互抵消，于是空閑模式下?lián)P聲器兩端的凈電壓為0，從而降低了功耗?

2.5 關(guān)斷

將SHDN引腳置為低電平時，MAX9700/MAX9712進入低功耗（0.1μA）關(guān)斷模式，從而延長電池壽命?在標準模式下，該引腳應連至VDD?

2.6 咔嗒聲與噼噗聲抑制

MAX9700/MAX9712具有完備的咔嗒聲與噼噗聲抑制功能，可以在啟動與關(guān)斷時消除瞬態(tài)噪聲?關(guān)斷時，H橋為高阻態(tài)，啟動或上電時，輸入放大器為靜音狀態(tài)，啟動35ms后軟啟動電路解除輸入放大器的靜音狀態(tài)?

3 MAX9700/MAX9712的應用

傳統(tǒng)的D類放大器需要輸出濾波器從放大器輸出恢復音頻信號，而MAX9700/MAX9712無需輸出濾波器，該器件利用揚聲器線圈自身的電感和揚聲器與人耳的天然濾波作用從方波輸出中恢復音頻成分，省去了輸出濾波器，從而提供一個更小?更便宜?更高效的方案?不過，由于MAX9700/MAX9712的輸出頻率遠遠超出了大多數(shù)揚聲器的帶寬，由方波頻率引起的音頻線圈的偏移非常小，為獲得最佳效果，可以選用一個大于10μH的電感與揚聲器串聯(lián)?

MAX9700/MAX9712采用差分輸入結(jié)構(gòu)，兼容于許多編解碼器，并提供比單端輸入放大器更強的噪聲抑制能力?差分輸入可抵消掉作用在輸入端的任何共模信號，在蜂窩電話裝置中，這一特性用于去除射頻發(fā)送器中高頻共模信號的影響?MAX9700/MAX9712也通過將任一輸入端耦合至GND，驅(qū)動另一輸入端可配置為單端輸入放大器?耦合方式既可以采用電容耦合，也可以采用直接直流耦合，只是直流耦合方式省去了耦合電容，也同時失去了電容的低頻抑制作用?MAX9700/MAX9712還可級聯(lián)構(gòu)成立體聲放大器，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示?

其中U1是主放大器，將其未經(jīng)濾波的輸出用來驅(qū)動從器件U2的SYNC輸入，這樣可使兩個器件的開關(guān)頻率同步?同步的兩片MAX9700/MAX9712可以確保在音頻頻譜范圍內(nèi)不會出現(xiàn)差拍頻率，無論主器件工作在FFM還是SSM模式下，這種配置均能工作，因為這種SYNC連接方式可以獲得出色的THD+N性能，并且器件之間的串擾也很小?U2只跟蹤SYNC的信號頻率，而不是脈寬，U2內(nèi)部的反饋回路確保抑制U1輸出的音頻成分?

MAX9700/MAX9712的具體應用電路如圖4所示，圖中：MAX9700或MAX9712對16位凌陽單片機SPCE061A的語音輸出信號進行放大，SPCE061A是一款語音特色顯著的芯片，其語音壓縮算法庫可以方便地通過API函數(shù)調(diào)用?本設計采用MAX9700進行SPCE061語音信號的放大，可以收到良好效果?SPCE061A有兩路語音以形成立體聲，圖中只顯示了其中一路（DAC1），SYNC通過單片機IOB1口設置為SSM模式，開關(guān)通過IOB2控制，音量可通過電位器CW調(diào)節(jié)?另外，語音輸入的RC通路可以改善上電或停止時的語音質(zhì)量?設計時，VDD和H橋電源均通過0.1μF電容旁路到GND和PGND，GND和PGND采用星形布線與系統(tǒng)地連接，以將地線共阻抗干擾降至最低?

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