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MAX9700／MAX9712是采用全差分結構和全橋輸出的新一代D類音頻功率放大器，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。該器件具有高達72DB的電源抑制比(PSRR)、0.01％總諧波失真及噪聲(THD+N)以及高于90 dB的SNR，其短路與過熱保護功能可使該器件在故障條件下免于損壞。而其2.5～5.5 V的寬電壓范圍則可方便地與各種電壓標準的微處理器進行連接。MAX9712能夠以高于85％的效率為8 Ω負載提供0.5 W的功率，MAX9700的轉換效率更可達到90％以上，可為8 Ω負載提供1.2 W的功率。此外，它們的靜態電流只有4 mA，低功耗關斷模式下僅為0.1μA。MAXIM專有的低EMI調制方案省去了傳統的D類輸出濾波器，同時拋棄了笨重的散熱器，從而有效節省了電路板空間，延長了電池壽命。 1 MAX9700／MAX9712的原理及功能特點 1.1 工作原理 差分音頻信號由比較器輸入，經D類調制后通過H橋放大輸出。其工作原理是通過比較器監視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。兩個比較器在第二個比較器輸出跳變的上升沿后經過一段固定時間后復位，從而在第二個比較器的輸出端產生一個脈寬最小的脈沖。這樣，當輸入電壓增大或減小時，如果一個輸出脈沖持續時間增加，而另一個輸出脈沖持續時間保持不變，那么，揚聲器兩端的凈電壓將發生變化。 1.2 調制方式選擇 MAX9700／MAX9712具有兩種工作模式：固定頻率調制(FFM)模式和擴頻調制(SSM)模式。MAX9700／MAX9712具有兩種FFM方式。當SYNC=GND時，開關頻率為1.1 MHz；而SYNC=FLOAT時，開關頻率為1.45 MHz。在FFM模式下，D類輸出頻譜由開關頻率基波及其相關諧波組成。MAX9712允許開關頻率有+32％的變化。而MAX9700／MAX9712的擴頻模式將展寬頻譜成分，并可使得通過揚聲器或電纜的EMI輻射降低3dB。SYNC=GND時，器件設置為SSM模式。在SSM模式下，開關頻率在中心頻率1.22 MHz附近隨機變化±120 kHz，此時能量將分散到隨頻率增長的整個頻寬上。此時雖然調制方案不變，但鋸齒波的頻率會隨周期改變，其能量將分散到隨頻率增長的整個頻帶寬度中，而不是將大量頻譜能量集中在開關頻率的倍頻處。實際上，在高于幾MHz的頻帶上，EMI等效于寬帶頻譜的白噪聲。這種方法與傳統方案相比，采用擴頻模式可使輻射指標改善5 dB。 1.3 無濾波調制／共模空閑方式 由于MAX9700／MAX9712獨有的調制方案可以省去傳統D類放大器所需的LC濾波器，因而可提高效率并降低成本。因為在無信號輸入時，傳統D類放大器的輸出占空比為50％的方波，這樣，如沒有濾波器，則會產生直流電壓并形成負載電流而使功耗增大。而MAX9700／MAX9712則采用差分方式驅動揚聲器，兩路輸出可相互抵消，因而在空閑模式下，其揚聲器兩端的凈電壓為0，故可降低功耗。 1.4 關斷 將SHDN引腳置低時，MAX9700／MAX9712進入低功耗(0.1μA)關斷模式，該模式可延長電池壽命。而在標準模式下，該引腳應連至VDD。 1.5 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，可在啟動與關斷時消除瞬態噪聲。關斷時，H橋為高阻態；而在啟動或上電時，輸入放大器為靜音狀態，然后在啟動35 ms后，軟啟動電路解除輸入放大器的靜音狀態。 1.6 低EMI調制結構 MAX9700／MAX9712可以利用獨特的調制結構以D類效率提供AB類放大器的性能，而且占用電路板空間很小。 MAX9712可為8 W負載提供500mW的功率，MAX9700能夠為8 W負載提供高達1.2 W的功率。這兩種放大器內部有兩路比較器對其輸入進行監視，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。當輸入電壓增大或減小時，第一個跳變的比較器輸出脈沖的持續時間增加，而另一個比較器跳變后輸出脈沖的持續時間為tON。一般對于一定的輸入信號電平，比較器輸出是一個脈寬調制的方波信號，其周期由鋸齒波振蕩器的頻率決定，PWM信號用于控制H橋驅動器，以打開或者關閉狀態相反的一對MOSFET，從而使揚聲器兩端的凈電壓(VOUT+-VOUT-)隨輸入信號發生變化，以便有效采集音頻輸入。放大器的動態范圍由噪聲幅度和鋸齒波信號幅度決定。 1.7 高效率問題 D類放大器的效率由輸出級晶體管的工作時間決定。在D類放大器中，輸出晶體管如同一個電流調整開關(所消耗的額外功率可以忽略不計)，與D類輸出級有關的功率損耗主要都是由MOSFET導通電阻與靜態電流消耗產生的IR損耗。D類放大器在加上負載后，其輸出失調電壓不會明顯增大靜態電流，這是D類放大器功率轉換的結果。如在AB類器件中，8 mV的直流失調電壓通過8 W負載會額外消耗1 mA的電流。而對D類器件來說，8 mV的直流失調電壓通過8 W負載時僅額外消耗8 mW的功率。線性放大器理論上的最佳效率為78％，但該效率僅出現在輸出功率的峰值處。通常在標準工作電平(典型的音樂再生電平)下，效率會降到30％以下，而在相同條件下，MAX9700則可保持80％以上的效率。 為了進一步節省功率，MAX9700／MAX9712還提供有關斷模式，關斷模式下的電流損耗僅0.1mA，故可有效降低功耗、延長電池壽命。此外，放大器內部也提供有完備的噪聲抑制功能，可以在啟動與關斷時消除瞬態噪聲。關斷時，H橋為高阻態；啟動或上電時，輸入放大器為靜音狀態，內部回路將調制器偏置電壓設置到正確的電平，避免在隨后啟動H橋時產生咔嗒聲和噼噗聲。啟動35 ms后，軟啟動電路解除輸入放大器的靜音狀態。 2 MAX9700／MAX9712的應用電路 傳統的D類放大器需要用輸出濾波器從放大器的輸出信號中恢復音頻信號，而MAX9700／MAX9712則無需輸出濾波器。MAX9700／MAX9712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來從方波輸出中恢復音頻成分，因而省去了輸出濾波器，故可提供一個更小、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揚聲器的帶寬，而方波頻率引起的音頻線圈的偏移又非常小，因此，為獲得最佳效果，應選用大于10μH的電感與揚聲器串聯。 MAX9700／MAX9712采用差分輸入結構，兼容于許多編解碼器，并可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，這一特性可用于去除射頻發送器中高頻共模信號的影響。MAX9700／MAX9712也可將任一輸入端接至GND，而驅動另一輸入端以將其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，但同時也失去了電容的低頻抑制作用。此外，MAX9700／MAX9712還可級聯構成立體聲放大器。 U1是主放大器，其未經濾波的輸出可用來驅動從器件U2的SYNC輸入，這樣可使兩個器件的開關頻率同步。同步的兩片MAX9700／MAX9712可以確保在音頻頻譜范圍內不會出現差拍頻率。實際上，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，而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，因此，U2內部的反饋回路可確保抑制U1輸出的音頻成分。 MAX9700或／MAX9712可對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單片機芯片，其語音壓縮算法庫可以方便地通過APl函數調用。本設計采用MAX9700對SPCE061A語音信號進行放大，可以收到良好效果。SPCE061A有兩路語音可以形成立體聲。圖中只顯示了其中一路(DAC1)。SYNC可通過單片機的IOBl口設置為SSM模式，開關可通過IOB2控制，音量可通過電位器CW調節。另外，由于語音輸入的RC通路可以改善上電或停止時的語音質量。因此，本設計中，VDD和H橋電源均通過0.1μF電容旁路到GND和PGND，GND和PGND則采用星形布線與系統地連接，以便將地線共阻抗干擾降至最低。 3 結束語 利用MAX9700／MAX9712與凌陽16位單片機SPCE061A設計的語音輸出信號放大電路可廣泛用于PDA、MP3播放器、蜂窩電話以及各種需要音頻控制和放大的應用場合，而且采用本方案具有EMI低、免濾波、占用線極面積小等優點，值得推廣。 |
