高效D类音频放大器MAX9700/12的工作原理和应用实例介绍
１、概述
ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２是ｍａｘｉｍ公司推出的两款单声道ｄ类音频功率放大器，ｍａｘ９７１２能够以高于８５％的效率为８ω负载提供０．５ｗ的功率，ｍａｘ９７００的转换效率更是达到９０％以上可为８ω负载提供１．２ｗ的功率。ｍａｘｉｍ专有的低ｅｍｉ调制方案省去了传统的ｄ类输出滤波器，同时抛弃了笨重的散热器，从而节省了电路板空间，延长了电池寿命，这些特点使它们成为便携式音频应用的合适之选。
ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２采用全差分结构、全桥输出，该新一代ｄ类放大器可提供通常只有ａｂ类放大器才具有的高性能，同时还具有完备的咔嗒声与噼啪声抑制电路，并具有高达７２ｄｂ的电源抑制比（ｐｓｒｒ）、０．０１％总谐波失真及噪声（ｔｈｄ＋ｎ）以及高于９０ｄｂ的ｓｎｒ。其短路与热过载保护功使该器件在故障条件下能够免于损坏。ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２可在２．５～５．５ｖ的宽电压范围内工作，方便与各种电压标准的微处理器连接，此外，它们的静态电流只有４ｍａ？低功耗关断模式下仅为０．１μａ。ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２采用散热效率高、节省空间的封装，两种器件均有１０引脚ｔｄｆｎ ，３ｍｍ×３ｍｍ×０．８ｍｍ、１０引脚μｍａｘ和１２焊球ｕｃｓｐｔｍ １．５ｍｍ×２ｍｍ×０．６ｍｍ三种封装形式。ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２的ｔｄｆｎ／μｍａｘ封装引脚图如图１所示，表１列出了它们的引脚功能。
表1 max9700/max9712引脚功能
２、功能及原理
２．１ 工作原理
图２为ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２的功能结构简图，差分音频信号由比较器输入，经ｄ类调制后通过ｈ桥放大输出。其工作原理如下：比较器监视ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２的输入，并将互补输入电压与锯齿波进行比较，当锯齿波输入幅度超出相应的比较器输入电压时，比较器输出翻转，这两个比较器在第二个比较器输出跳变的上升沿后经过一段固定时间后复位，在第二个比较器的输出端产生了一个脉宽最小的脉冲。当输入电压增大或减小时，如果一个输出脉冲持续时间增加，而另一个输出脉冲持续时间保持不变。这样就使得扬声器两端的净电压发生变化。
２．２ 调制方式选择
ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２提供两种调制方式：固定频率？ｆｆｍ？模式和扩展频谱？ｓｓｍ？模式，ｓｓｍ模式通过调制频率可以降低ｅｍｉ辐射。另外，它们的振荡器可以通过ｓｙｎｃ输入与外部时钟同步，允许用户自定义开关频率。ｓｙｎｃ输入还允许多个器件串联并锁定频率，以减小时钟互调引起的干扰。ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２的调制方式通过ｓｙｎｃ引脚来选择。
（１）固定频率调制（ｆｆｍ）模式
ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２具有两种ｆｆｍ方式：ｓｙｎｃ＝ｇｎｄ时，开关频率为１．１ｍｈｚ；ｓｙｎｃ＝ｆｌｏａｔ时开关频率为１．４５ｍｈｚ。在ｆｆｍ模式下，ｄ类输出频谱由开关频率基波及其相关谐波组成。ｍａｘ９７１２允许开关频率有＋３２％的变化。
（２）扩频调制（ｓｓｍ）模式
ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２具有受专利保护的扩频模式，这种模式将展宽频谱成分，使得通过扬声器或电缆的ｅｍｉ辐射降低３ｄｂ。ｓｙｎｃ＝ｖｄｄ时器件设置为ｓｓｍ模式。在ｓｓｍ模式下开关频率在中心频率１．２２ｍｈｚ附近随机变化±１２０ｋｈｚ，此时能量分散到随频率增长的整个频宽上。
２．３ 外部时钟模式
ｓｙｎｃ输入允许ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２与系统时钟同步或将开关谐波的频谱成分分配到不敏感的频段？在ｓｙｎｃ引脚上施加８００ｋｈｚ～２ｍｈｚ的外部ｔｔｌ时钟，可以同步ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２的开关频率，其周期可以是随机的。这种模式可使器件方便的配置为单端输入放大器。
２．４ 无滤波调制／共模空闲方式
ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２独有的调制方案可以省去传统ｄ类放大器所需的ｌｃ滤波器，从而提高了效率并降低了成本。在无信号输入时，传统ｄ类放大器输出占空比为５０％的方波，如没有滤波器，会产生直流电压，形成负载电流而使功耗增大。由于ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２采用差分方式驱动扬声器，两路输出相互抵消，于是空闲模式下扬声器两端的净电压为０，从而降低了功耗。
２．５ 关断
将ｓｈｄｎ引脚置为低电平时，ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２进入低功耗（０．１μａ）关断模式，从而延长电池寿命。在标准模式下，该引脚应连至ｖｄｄ。
２．６ 咔嗒声与噼噗声抑制
ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２具有完备的咔嗒声与噼噗声抑制功能，可以在启动与关断时消除瞬态噪声。关断时，ｈ桥为高阻态，启动或上电时，输入放大器为静音状态，启动３５ｍｓ后软启动电路解除输入放大器的静音状态。
３、ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２的应用
传统的ｄ类放大器需要输出滤波器从放大器输出恢复音频信号，而ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２无需输出滤波器，该器件利用扬声器线圈自身的电感和扬声器与人耳的天然滤波作用从方波输出中恢复音频成分，省去了输出滤波器，从而提供一个更小、更便宜、更高效的方案。不过，由于ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２的输出频率远远超出了大多数扬声器的带宽，由方波频率引起的音频线圈的偏移非常小，为获得最佳效果，可以选用一个大于１０μｈ的电感与扬声器串联。
ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２采用差分输入结构，兼容于许多编解码器，并提供比单端输入放大器更强的噪声抑制能力。差分输入可抵消掉作用在输入端的任何共模信号，在蜂窝电话装置中，这一特性用于去除射频发送器中高频共模信号的影响。ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２也通过将任一输入端耦合至ｇｎｄ，驱动另一输入端可配置为单端输入放大器。耦合方式既可以采用电容耦合，也可以采用直接直流耦合，只是直流耦合方式省去了耦合电容，也同时失去了电容的低频抑制作用。ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２还可级联构成立体声放大器，其电路结构如图３所示。
其中ｕ１是主放大器，将其未经滤波的输出用来驱动从器件ｕ２的ｓｙｎｃ输入，这样可使两个器件的开关频率同步。同步的两片ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２可以确保在音频频谱范围内不会出现差拍频率，无论主器件工作在ｆｆｍ还是ｓｓｍ模式下，这种配置均能工作，因为这种ｓｙｎｃ连接方式可以获得出色的ｔｈｄ＋ｎ性能，并且器件之间的串扰也很小。ｕ２只跟踪ｓｙｎｃ的信号频率，而不是脉宽，ｕ２内部的反馈回路确保抑制ｕ１输出的音频成分。
ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２的具体应用电路如图４所示，图中：ｍａｘ９７００或ｍａｘ９７１２对１６位凌阳单片机ｓｐｃｅ０６１ａ的语音输出信号进行放大，ｓｐｃｅ０６１ａ是一款语音特色显著的芯片，其语音压缩算法库可以方便地通过ａｐｉ函数调用。本设计采用ｍａｘ９７００进行ｓｐｃｅ０６１语音信号的放大，可以收到良好效果。ｓｐｃｅ０６１ａ有两路语音以形成立体声，图中只显示了其中一路（ｄａｃ１），ｓｙｎｃ通过单片机ｉｏｂ１口设置为ｓｓｍ模式，开关通过ｉｏｂ２控制，音量可通过电位器ｃｗ调节。另外，语音输入的ｒｃ通路可以改善上电或停止时的语音质量。设计时，ｖｄｄ和ｈ桥电源均通过０．１μｆ电容旁路到ｇｎｄ和ｐｇｎｄ，ｇｎｄ和ｐｇｎｄ采用星形布线与系统地连接，以将地线共阻抗干扰降至最低。
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２．５ 关断
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其中ｕ１是主放大器，将其未经滤波的输出用来驱动从器件ｕ２的ｓｙｎｃ输入，这样可使两个器件的开关频率同步。同步的两片ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２可以确保在音频频谱范围内不会出现差拍频率，无论主器件工作在ｆｆｍ还是ｓｓｍ模式下，这种配置均能工作，因为这种ｓｙｎｃ连接方式可以获得出色的ｔｈｄ＋ｎ性能，并且器件之间的串扰也很小。ｕ２只跟踪ｓｙｎｃ的信号频率，而不是脉宽，ｕ２内部的反馈回路确保抑制ｕ１输出的音频成分。
ｍａｘ９７００／ｍａｘ９７１２的具体应用电路如图４所示，图中：ｍａｘ９７００或ｍａｘ９７１２对１６位凌阳单片机ｓｐｃｅ０６１ａ的语音输出信号进行放大，ｓｐｃｅ０６１ａ是一款语音特色显著的芯片，其语音压缩算法库可以方便地通过ａｐｉ函数调用。本设计采用ｍａｘ９７００进行ｓｐｃｅ０６１语音信号的放大，可以收到良好效果。ｓｐｃｅ０６１ａ有两路语音以形成立体声，图中只显示了其中一路（ｄａｃ１），ｓｙｎｃ通过单片机ｉｏｂ１口设置为ｓｓｍ模式，开关通过ｉｏｂ２控制，音量可通过电位器ｃｗ调节。另外，语音输入的ｒｃ通路可以改善上电或停止时的语音质量。设计时，ｖｄｄ和ｈ桥电源均通过０．１μｆ电容旁路到ｇｎｄ和ｐｇｎｄ，ｇｎｄ和ｐｇｎｄ采用星形布线与系统地连接，以将地线共阻抗干扰降至最低。
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