D类数字音频放大器MAX9700的性能特点和应用设计分析

李合菊 发表于 2020-08-05 17:59:26 收藏 已收藏
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D类数字音频放大器MAX9700的性能特点和应用设计分析

李合菊 发表于 2020-08-05 17:59:26
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引言

MAXIM公司的D类数字音频放大器MAX9700与线性音频放大器(如A类、B类和AB类)相比,在功效上有相当的优势。对于线性放大器(如AB类)来说,偏置元件和输出晶体管的线性工作方式会损耗大量功率。而MAX9700的晶体管只是作为开关使用,主要用来控制流过负载的电流方向,所以,其输出级的功耗极低。MAX9700单声道D类数字音频功率放大器具有AB类放大器的性能和D类放大器的效率,并可节省板上空间,大幅降低很多便携式/紧凑型应用的成本,同时可延长电池寿命。由于采用D类结构。MAX9700可为8 Ω负载提供1.2 W功率,效率高达90%以上。而具有专利的低EMI调制方案则可省去传统D类方案中的输出滤波器。

1、 MAX9700的主要功能特点

MAX9700提供有固定频率(FFM)模式和扩频模式两种调制方案,扩频模式可降低EMI辐射。此外,MAX9700中的振荡器还可通过SYNC输入同步到一个外部时钟,而且允许用户定义开关频率。其SYNC输入则允许多个MAX9700级联并锁定频率,故可降低时钟互调制所造成的干扰。MAX9700具有全差分结构、全桥输出以及全面的杂音抑制功能。由于其增益可由内部设定(MAX9700A:6 dB,MAX9700B:12 dB,MAX9700C:15.6 dB,MAX9700D:20 dB),因而进一步减少了外部元件的数目。

MAX9700具有72dB的高PSRR、0.01%的低THD+N及90dB以上的SNR。短路和热过载保护功能可防止电路发生故障时损坏器件。MAX9700工作于-40℃~+85℃温度范围内,具有10引脚TDFN封装、10引脚μMAX?或12焊球UCSPTM封装形式。其管脚排列如图1所示。

D类数字音频放大器MAX9700的性能特点和应用设计分析

MAX9700的关键特性如下:

◇无滤波放大器,符合FCC辐射标准,符合100 mm电缆传输标准;

◇具有独特的扩频模式,与传统方案相比,其辐射性能可改善5 dB;

◇可选外部SYNC输入;

◇简单的主从配置,适合立体声操作;

◇可达到94%的效率;

◇可为8 Ω负载提供1.2 W功率;

◇具有0.01%低THD+N和较高的PSRR (217Hz时72 dB)

◇有集成的杂音抑制功能;

◇静态电流低(4mA);

◇低功耗关断模式(0.1μA);

◇具有短路和过热保护功能;

◇采用热效应好、节省空间的封装形式。

2、 MAX9700的调制模式

MAX9700有两种调制模式:一是固定频率调制(FFM)模式;二是扩谱调制(SSM)模式。FFM模式下,锯齿波的周期保持不变,这一点和传统的PWM方案相同;扩谱调制模式下,锯齿波的周期会逐周发生改变(变化范围达±10%)。

扩谱调制模式下,其周期的逐周期变化可降低基波频率下(fo±10%)的频谱能量,同时可扩展特定带宽(nfo+10%,n为正整数)内的谐波分量。这样,大量的频谱能量就不是集中在开关频率的各倍频处,而是在一个随频率而增加的带宽内展宽。当频率超过数兆赫兹后,宽带频谱看起来就像是白噪声,因而可达到降低EMI之目的。在FFM模式下,能量包含在较窄的频带内,并具有较高的峰值。而在扩谱调制模式下,其能量包含在较宽的频带内,这样可以降低峰值能量。 2.1免滤波器调制方式

传统D类放大器的一个主要缺点就是它需要外部LC滤波器。这不仅增加了方案总成本和电路板空间,也可能因滤波元件的非线性而引入额外失真。而MAX9700采用了先进的“免滤波器”调制方案,从而可省掉(至少可以最大限度地降低)外部滤波器的要求。

图2给出了MAX9700免滤波器调制拓扑的功能图。该方式与传统的PWM型BTL放大器不同,它的每个半桥都有自己专用的比较器,从而可独立控制每个输出。调制器由差分音频信号和高频锯齿波驱动。当两个比较器输出均为低电平时,MAX9700的每个输出均为高。与此同时,或非门的输出也变为高电平,但这样会因为RON和CON组成的RC电路而产生一定的延时。一旦或非门延时输出超过特定门限,开关SW1和SW2即会闭合。这将使OUT+和OUT-变为低,并保持到下个采样周期的开始。这种设计使得两个输出同时开通的时间(tON(MIN))最短,具体时间可由RON和CON的值决定。当输入为零时,两个输出同相并具有tON(MIN)的脉冲宽度。随着音频输入信号的增加或减小,其中一个比较器会在另一个之前先翻转。这种工作特性外加最短时间导通电路的作用,将促使一个输出改变其脉冲宽度,另一个输出的脉冲宽度保持为tON(MIN)。这种方式意味着每个输出的平均值都包含输出音频信号的半波整流结果。此后,对两路输出的平均值进行差值运算,便可得到完整的输出音频波形。图3所示是这种调制模式下的信号波形图。

由于MAX9700的输出端在空闲时为同相信号,所以负载两端没有差分电压,从而最大限度降低了静态功耗,并且无需外部滤波器。Maxim的免滤波器D类放大器从输出中提取音频信号时,并不依靠外部LC滤波器,而是依靠扬声器负载固有的电感以及人耳的听觉特性来恢复音频信号。扬声器电阻(RE)和电感(LE)将形成一个1阶低通滤波器。

对于大多数扬声器而言,这个1阶滚降足以恢复音频信号,并可防止在扬声器电阻上耗散过多高频开关能量。即使依然存在残余开关能量使扬声器组件产生运动,这些频率也无法被人耳听到或影响听觉感受。但应注意:使用免滤波器MAX9700时,为获得最大输出功率,扬声器负载应保证在放大器开关频率下仍为感性负载。

2.2使EMI最小化的扩谱调制方式

免滤波器工作方式的一个主要缺点是可能通过扬声器电缆辐射EMI。由于MAX9700的输出波形为高频方波,并具有陡峭的过渡边沿,因此,输出频谱会在开关频率及开关频率的倍频处包含大量频谱能量。这样,如果在紧靠器件的位置没有安装外部输出滤波器的话,这些高频能量就会通过扬声器电缆辐射出去。而MAX9700则采用享有专利的扩谱调制方案,来帮助缓解可能的EMI问题。

通过抖动或随机化MAX9700的开关频率可实现扩谱调制。实际开关频率相对于标称开关频率的变化范围可达到±10%。尽管开关波形的各个周期会随机变化,但占空比不受影响,因此,输出波形可以保留音频信息。扩谱调制能有效展宽输出信号的频谱能量,而不是使频谱能量集中在开关频率及其各次谐波上。换句话说,输出频谱的总能量没有变,只是重新分布在更宽的频带内。这样就降低了输出端的高频能量峰,从而将扬声器电缆辐射EMI降至最少。虽然有些频谱噪声也可能由扩谱调制引入音频带宽内,但这些噪声可被反馈环路的噪声整形功能抑制。

3、应用设计

3.1放大器差分输入

MAX9700的单端差动输入结构可提供超过单端输入放大器抗扰的能力,并与许多编解码器相兼容。在蜂窝式移动电话等设备中,来自射频转发器的高频信号可由放大器的输入跟踪检出,共模噪音信号出现在放大器的输入端。微分输入放大器则可通过放大两个输入端的差分信号来取消了共模噪声。

3.2单端输入

通过图4所示电路可使MAX9700构成单端输入放大器。其输入端IN+利用电容器耦合,输入端IN则通过电容器接地。

3.3立体声配置

通过两个MAX9700构成立体声放大器的电路配置如图5所示。其中U1为主放大器,将其驱动输出端OUT-接从放大器U2的同步输入端可同步两个MAX9700的开关频率,保证两个MAX9700在音频范围内没有差拍频率产生。该放大器具有良好的THD+N特性,而且没有串音干扰。

3.4带音量控制的音频放大器

MAX9700很容易实现单端驱动,但在差分输入阻抗不平衡时,要考虑调节问题,传统的音量调节方法由于音量调节电位器在上电时可能受到干扰而产生“嘎嘎”声,这种“嘎嘎”声虽然在音量最大或最小时不明显,但在其他情况下,这种声音都比较明显。解决的一个办法就是采用图6电路。该电路将电位器接在差分输人端,上电时通过RC网络同时对两个输入端产生影响,从而改善了瞬态性能,消除上电时的“嘎嘎”声。

4、 D类放大器的散热设计

4.1 PCB的散热

对底部有裸露焊盘的TQFN封装来说,PCB及其敷铜层是D类放大器主要的散热渠道。将D类放大器贴装到常见的PCB,最好根据以下原则:将裸露焊盘焊接到大面积敷铜块。尽可能在敷铜块与l临近的具有等电势的D类放大器引脚以及其他元件之间多布一些覆铜。

裸露焊盘相接的敷铜块应该用多个过孔连接到PCB板背面的其他敷铜块上。该敷铜块应该在满足系统信号走线的要求下,具有尽可能大的面积。

另外,还应当尽量加宽所有与器件的连线,这将有益于改善系统的散热性能。虽然IC的引脚并不是主要的散热通道,但实际应用中,仍然会有少量发热,因而应采用宽的连线与D类放大器的输出相连。在这种情况下,电感的铜芯绕线也可为D类放大器提供额外的散热通道。虽然对整体热性能的改善不到10%,但这样的改善却会给系统带来两种截然不同的结果,从而使系统具备较理想的散热或出现较严重的发热。

4.2辅助散热

当D类放大器在较高的环境温度下工作时,增加外部散热片可以改善PCB的热性能。该散热片的热阻必须尽可能小,以使散热性能最佳。采用底部的裸露焊盘后,PCB底部往往是热阻最低的散热通道。IC的顶部并不是器件的主要散热通道,因此,在此安装散热片并不划算。

5、 结束语

MAX9700型D类放大器除具有AB类放大器的所有优点(即良好的线性和最小的电路板空间)外,更具有高效优势。当前,有多种D类放大器可满足各类应用需求。其中包括低功耗便携式应用(如蜂窝电话和笔记本电脑)和大功率应用(如车载音响系统或平板显示器),希望本文对MAX9700的介绍能有助于设计者选择合适的放大器,并正确权衡某些功能特性的优势和劣势。

责任编辑:gt

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