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，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)具有較高的效率，但是，由于D類放大器實(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類效率提供AB類放大器的性能，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)，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×R損耗。D類放大器在加上負(fù)載后其輸出失調(diào)電壓不會(huì)明顯增大靜態(tài)電流，這是D類放大器功率轉(zhuǎn)換的結(jié)果。例如，在AB類器件中，8mV的直流失調(diào)電壓通過(guò)8W負(fù)載會(huì)額外消耗1mA的電流。而對(duì)D類器件來(lái)說(shuō)，8mV的直流失調(diào)電壓通過(guò)8W負(fù)載時(shí)僅額外消耗8mW的功率。線性放大器理論上的效率為78%，不過(guò)該效率僅出現(xiàn)在輸出功率的峰值處。標(biāo)準(zhǔn)工作電平(典型的音樂(lè)再生電平)下，效率會(huì)下降到30%以下，然而，在相同條件下，MAX9700則可保持80%以上的效率(見(jiàn)圖2)。
為了進(jìn)一步節(jié)省功率，MAX9700/MAX9712還提供了關(guān)斷模式，關(guān)斷模式下電流損耗僅0.1mA，可有效降低功耗、延長(zhǎng)電池壽命。此外，放大器內(nèi)部提供完備的噪聲抑制功能，可以在啟動(dòng)與關(guān)斷時(shí)消除瞬態(tài)噪聲。關(guān)斷時(shí)，H橋?yàn)楦咦钁B(tài)；啟動(dòng)或上電時(shí)，輸入放大器為靜音狀態(tài)，內(nèi)部回路將調(diào)制器偏置電壓設(shè)置到正確的電平，避免在隨后啟動(dòng)H橋時(shí)產(chǎn)生咔嗒聲和噼噗聲。啟動(dòng)35ms后，軟啟動(dòng)電路解除輸入放大器的靜音狀態(tài)。

應(yīng)用
典型應(yīng)用電路
MAX9700/MAX9712采用差分輸入結(jié)構(gòu)，兼容于許多編解碼器(CODEC)，并提供比單端輸入放大器更佳的噪聲抑制能力。在蜂窩電話等裝置中，來(lái)自射頻發(fā)送器的高頻信號(hào)會(huì)通過(guò)放大器輸入端的引線注入。該信號(hào)以共模噪聲的形式出現(xiàn)在放大器的輸入端，差分輸入放大器對(duì)兩個(gè)輸入端的差模信號(hào)進(jìn)行放大，作用在輸入端的任何共模信號(hào)都將被抵消掉。當(dāng)然，這些放大器也可以配置為單端輸入結(jié)構(gòu)，只要通過(guò)電容將任一輸入端耦合至GND，并驅(qū)動(dòng)另一輸入端即可，為了獲得較高的噪聲抑制能力，設(shè)計(jì)中需保持兩個(gè)差分輸入端源阻抗的對(duì)稱性。
MAX9700/MAX9712是單聲道功率放大器，可以利用兩片IC配置為立體聲放大器，利用一片MAX9700作主放大器，主放大器輸出驅(qū)動(dòng)另一片從器件的SYNC輸入，使兩片IC的開(kāi)關(guān)頻率同步，確保在音頻頻譜范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)差拍頻率。無(wú)論主器件工作在FFM還是SSM模式下，這種配置都能工作。SYNC的連接方式可以獲得很好的THD+N性能，并且器件之間的串?dāng)_也非常小。
圖3給出了利用Maxim音頻產(chǎn)品構(gòu)成的一個(gè)整體方案。圖中，MAX4063麥克風(fēng)前置放大器可放大來(lái)自麥克風(fēng)的差分或單端輸出信號(hào)，其互補(bǔ)輸出能夠直接驅(qū)動(dòng)差分輸入的CODEC。比較器MAX961用于檢測(cè)是否插入耳機(jī)插孔，當(dāng)插入耳機(jī)時(shí)，MAX961控制MAX9700關(guān)斷、啟動(dòng)MAX9722立體聲耳機(jī)放大器，驅(qū)動(dòng)耳機(jī)輸出。圖中，MAX9700為單聲道放大器，需要時(shí)可將其配置為立體聲結(jié)構(gòu)。
元件選擇
輸入電容CIN與MAX9700/MAX9712的輸入阻抗一起構(gòu)成了高通濾波器，可以消除輸入信號(hào)中的直流偏置。交流耦合電容允許放大器為信號(hào)提供的直流偏置電平。假定信號(hào)源阻抗為0，高通濾波器的-3dB點(diǎn)為：

根據(jù)上式選擇合適的CIN，使f-3dB低于感興趣的頻率。注意：如果f-3dB設(shè)置過(guò)高，會(huì)影響放大器的低頻響應(yīng)。選用電介質(zhì)為低電壓系數(shù)的電容，如鉭或鋁電解電容。陶瓷電容等高電壓系數(shù)的電容可能會(huì)導(dǎo)致低頻失真加劇。設(shè)計(jì)輸入濾波器時(shí)還需要考慮整個(gè)系統(tǒng)的限制和實(shí)際使用的頻段。高保真音響需要在20Hz~20kHz間具有平坦增益響應(yīng)，但是，蜂窩電話、雙向無(wú)線裝置等便攜式音頻產(chǎn)品只需關(guān)心講話聲音的頻率范圍(典型值為300Hz~3.5kHz)。另外，這些便攜式裝置中使用的揚(yáng)聲器對(duì)低于150Hz的頻率響應(yīng)通常很差。考慮到上述兩個(gè)因素，輸入濾波器不一定針對(duì)20Hz~20kHz的頻響進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以使用更小的電容，以便節(jié)省電路板空間與成本。
MAX9700/MAX9712不需要輸出濾波器。該器件在100mm非屏蔽揚(yáng)聲器電纜應(yīng)用中能夠滿足FCC輻射標(biāo)準(zhǔn)的要求。當(dāng)然，當(dāng)設(shè)計(jì)中存在電路板布局或電纜長(zhǎng)度引起的輻射或是電路靠近EMI敏感器件時(shí)，可以使用輸出濾波。需要考慮抑制輻射或使用較長(zhǎng)的引線連接放大器與揚(yáng)聲器時(shí)，可以采用LC濾波器。
電源旁路/布線
適當(dāng)?shù)碾娫磁月房梢源_保低失真工作，為得到性能，分別用一個(gè)0.1mF電容將VDD旁路到GND、PVDD旁路到PGND，旁路電容應(yīng)盡可能靠近引腳安裝。假定PVDD連接到一個(gè)低阻、大電流電源。根據(jù)具體應(yīng)用的需求和電源特性，可能需要添加額外的大電容。GND和PGND應(yīng)采用星形方式與系統(tǒng)地連接。電路布局參見(jiàn)MAX9712評(píng)估板。

結(jié)語(yǔ)
開(kāi)關(guān)型音頻放大器通常不適合高保真的音響系統(tǒng)，但新型D類音頻放大器很適合采用電池供電的便攜式設(shè)備，如手機(jī)、PDA、MP3播放器、便攜式CD/DVD播放器等。為了保證合理的信噪比，這些放大器采用了獨(dú)特的調(diào)制結(jié)構(gòu)，可有效抑制系統(tǒng)噪聲，提供較低的EMI輻射。■