低EMI、D類(lèi)音頻放大器及其應(yīng)用

PDA、MP3播放器、蜂窩電話等便攜式音頻裝置的設(shè)計(jì)通常受電源噪聲、空間有限、與數(shù)字電路共用電源/接地等諸多因素的影響，最終用戶在要求提高音頻性能的同時(shí)還要求延長(zhǎng)電池的工作壽命，這些需求往往相互沖突，延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間需要隨時(shí)關(guān)斷那些不工作的電路，這將產(chǎn)生一些明顯的音頻干擾。因此便攜式產(chǎn)品音頻電路的設(shè)計(jì)需滿足尺寸小、性能高、噪聲低、能夠與ASIC、處理器和DC-DC轉(zhuǎn)換器協(xié)同工作等要求。開(kāi)關(guān)型音頻放大器(D類(lèi))具有較高的效率，但是，由于D類(lèi)放大器實(shí)際上是把音頻信號(hào)變成了非線性脈沖，所產(chǎn)生的失真是顯而易見(jiàn)的，需要輸出濾波器從放大器輸出恢復(fù)音頻信號(hào)，同時(shí)，濾波器也增加了成本，增大了放大器的尺寸。Maxim新推出的D類(lèi)音頻功率放大器(MAX9700/MAX9712)對(duì)開(kāi)關(guān)模式放大技術(shù)作了一些重要改進(jìn)，利用獨(dú)特的調(diào)制結(jié)構(gòu)省去了輸出濾波器，可為便攜式產(chǎn)品提供一種更小、更便宜、效率更高的方案。

低EMI調(diào)制結(jié)構(gòu)
MAX9700/MAX9712利用獨(dú)特的調(diào)制結(jié)構(gòu)以D類(lèi)效率提供AB類(lèi)放大器的性能，占用很小電路板空間。MAX9712可為8W負(fù)載提供500mW的功率，MAX9700能夠?yàn)?W負(fù)載提供高達(dá)1.2W的功率。放大器內(nèi)部有兩路比較器對(duì)其輸入進(jìn)行監(jiān)視，并將互補(bǔ)輸入電壓與鋸齒波進(jìn)行比較。當(dāng)鋸齒波輸入幅度超出相應(yīng)的比較器輸入電壓時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)。當(dāng)輸入電壓增大或減小時(shí)，第一個(gè)跳變的比較器輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間增加，而另一個(gè)比較器跳變后輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間為tON。對(duì)于一定的輸入信號(hào)電平，比較器輸出是一個(gè)脈寬調(diào)制的方波信號(hào)，周期由鋸齒波振蕩器的頻率決定，PWM信號(hào)控制H橋驅(qū)動(dòng)器，打開(kāi)或者關(guān)閉狀態(tài)相反的一對(duì)MOSFET，使得揚(yáng)聲器兩端的凈電壓(VOUT+ - VOUT-)隨輸入信號(hào)發(fā)生變化，有效采集音頻輸入。放大器的動(dòng)態(tài)范圍由噪聲幅度和鋸齒波信號(hào)幅度決定。
工作模式
MAX9700/MAX9712具有兩種工作模式：固定頻率調(diào)制(FFM)模式和擴(kuò)頻調(diào)制(SSM)模式。FFM模式下可通過(guò)SYNC引腳選擇頻率，SYNC=GND時(shí)開(kāi)關(guān)頻率為1.1MHz、SYNC = FLOAT時(shí)開(kāi)關(guān)頻率為1.45MHz。另外，在SYNC引腳上施加800kHz~2MHz的外部TTL時(shí)鐘，可以使放大器與系統(tǒng)時(shí)鐘同步(提供完全同步的系統(tǒng))或?qū)㈤_(kāi)關(guān)諧波的頻譜成分分配到不敏感的頻段。SYNC = VDD時(shí)放大器工作在SSM模式，在SSM模式下，開(kāi)關(guān)頻率在中心頻率(1.22MHz)附近隨機(jī)變化?20kHz。調(diào)制方案不變，但鋸齒波的頻率隨周期改變，此時(shí)能量分散到隨頻率增長(zhǎng)的整個(gè)頻寬上，而不是將大量頻譜能量集中在開(kāi)關(guān)頻率的倍頻處。在高于幾MHz的頻帶上，EMI等效于寬帶頻譜的白噪聲，與傳統(tǒng)方案相比，擴(kuò)頻模式使輻射指標(biāo)改善5dB。
無(wú)濾波調(diào)制
MAX9700/MAX9712采用特有的調(diào)制方案，可以省去傳統(tǒng)D類(lèi)放大器所需的LC濾波器，既提高了效率、減少了元件數(shù)，又節(jié)省了電路板空間和系統(tǒng)成本。當(dāng)MAX9700/MAX9712輸入端沒(méi)有信號(hào)時(shí)，輸出開(kāi)關(guān)波形如圖1所示。由于放大器采用差分方式驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，兩路輸出互相抵消，于是揚(yáng)聲器兩端空閑模式下的凈電壓為0，降低了功耗。另外，因?yàn)镸AX9712的輸出頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了大多數(shù)揚(yáng)聲器的帶寬，由開(kāi)關(guān)頻率引起的音頻線圈的偏移非常小，利用揚(yáng)聲器線圈自身的電感和揚(yáng)聲器與人耳的天然濾波作用即可從方波輸出中恢復(fù)音頻成分。為獲得最佳效果，也可以用一個(gè)大于10mH的電感與揚(yáng)聲器串聯(lián)。

效率問(wèn)題
D類(lèi)放大器的效率由輸出級(jí)晶體管的工作時(shí)間決定。在D類(lèi)放大器中，輸出晶體管如同一個(gè)電流調(diào)整開(kāi)關(guān)，所消耗的額外功率可以忽略不計(jì)，任何與D類(lèi)輸出級(jí)有關(guān)的功率損耗主要是由MOSFET導(dǎo)通電阻與消耗靜態(tài)電流產(chǎn)生的I