D类音频功率放大器MAX9700／MAX9712及其应用
MAX9700／MAX9712是采用全差分结构和全桥输出的新一代D类音频功率放大器，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。该器件具有高达72DB的电源抑制比(PSRR)、0.01％总谐波失真及噪声(THD+N)以及高于90 dB的SNR，其短路与过热保护功能可使该器件在故障条件下免于损坏。而其2.5～5.5 V的宽电压范围则可方便地与各种电压标准的微处理器进行连接。MAX9712能够以高于85％的效率为8 Ω负载提供0.5 W的功率，MAX9700的转换效率更可达到90％以上，可为8 Ω负载提供1.2 W的功率。此外，它们的静态电流只有4 mA，低功耗关断模式下仅为0.1μA。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，从而有效节省了电路板空间，延长了电池寿命。
1.1 工作原理
图1是MAX9700／MAX9712的引脚排列图。图2为MAX9700／MAX9712的功能结构简图。图2中，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。其工作原理是通过比较器监视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。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，从而在第二个比较器的输出端产生一个脉宽最小的脉冲。这样，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，那么，扬声器两端的净电压将发生变化。
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1.2 调制方式选择
MAX9700／MAX9712具有两种工作模式：固定频率调制(FFM)模式和扩频调制(SSM)模式。MAX9700／MAX9712具有两种FFM方式。当SYNC=GND时，开关频率为1.1 MHz；而SYNC=FLOAT时，开关频率为1.45 MHz。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。而MAX9700／MAX9712的扩频模式将展宽频谱成分，并可使得通过扬声器或电缆的EMI辐射降低3dB。SYNC=GND时，器件设置为SSM模式。在SSM模式下，开关频率在中心频率1.22 MHz附近随机变化120 kHz，此时能量将分散到随频率增长的整个频宽上。此时虽然调制方案不变，但锯齿波的频率会随周期改变，其能量将分散到随频率增长的整个频带宽度中，而不是将大量频谱能量集中在开关频率的倍频处。实际上，在高于几MHz的频带上，EMI等效于宽带频谱的白噪声。这种方法与传统方案相比，采用扩频模式可使辐射指标改善5 dB。
1.3 无滤波调制／共模空闲方式
由于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，因而可提高效率并降低成本。因为在无信号输入时，传统D类放大器的输出占空比为50％的方波，这样，如没有滤波器，则会产生直流电压并形成负载电流而使功耗增大。而MAX9700／MAX9712则采用差分方式驱动扬声器，两路输出可相互抵消，因而在空闲模式下，其扬声器两端的净电压为0，故可降低功耗。
1.4 关断
将SHDN引脚置低时，MAX9700／MAX9712进入低功耗(0.1μA)关断模式，该模式可延长电池寿命。而在标准模式下，该引脚应连至VDD。
1.5 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，可在启动与关断时消除瞬态噪声。关断时，H桥为高阻态；而在启动或上电时，输入放大器为静音状态，然后在启动35 ms后，软启动电路解除输入放大器的静音状态。
1.6 低EMI调制结构
MAX9700／MAX9712可以利用独特的调制结构以D类效率提供AB类放大器的性能，而且占用电路板空间很小。MAX9712可为8 W负载提供500mW的功率，MAX9700能够为8 W负载提供高达1.2 W的功率。这两种放大器内部有两路比较器对其输入进行监视，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。当输入电压增大或减小时，第一个跳变的比较器输出脉冲的持续时间增加，而另一个比较器跳变后输出脉冲的持续时间为tON。一般对于一定的输入信号电平，比较器输出是一个脉宽调制的方波信号，其周期由锯齿波振荡器的频率决定，PWM信号用于控制H桥驱动器，以打开或者关闭状态相反的一对MOSFET，从而使扬声器两端的净电压(VOUT+-VOUT-)随输入信号发生变化，以便有效采集音频输入。放大器的动态范围由噪声幅度和锯齿波信号幅度决定。
1.7 高效率问题
D类放大器的效率由输出级晶体管的工作时间决定。在D类放大器中，输出晶体管如同一个电流调整开关(所消耗的额外功率可以忽略不计)，与D类输出级有关的功率损耗主要都是由MOSFET导通电阻与静态电流消耗产生的IR损耗。D类放大器在加上负载后，其输出失调电压不会明显增大静态电流，这是D类放大器功率转换的结果。如在AB类器件中，8 mV的直流失调电压通过8 W负载会额外消耗1 mA的电流。而对D类器件来说，8 mV的直流失调电压通过8 W负载时仅额外消耗8 mW的功率。线性放大器理论上的最佳效率为78％，但该效率仅出现在输出功率的峰值处。通常在标准工作电平(典型的音乐再生电平)下，效率会降到30％以下，而在相同条件下，MAX9700则可保持80％以上的效率。
为了进一步节省功率，MAX9700／MAX9712还提供有关断模式，关断模式下的电流损耗仅0.1mA，故可有效降低功耗、延长电池寿命。此外，放大器内部也提供有完备的噪声抑制功能，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，内部回路将调制器偏置电压设置到正确的电平，避免在随后启动H桥时产生咔嗒声和噼噗声。启动35 ms后，软启动电路解除输入放大器的静音状态。
2 MAX9700／MAX9712的应用电路
传统的D类放大器需要用输出滤波器从放大器的输出信号中恢复音频信号，而MAX9700／MAX9712则无需输出滤波器。MAX9700／MAX9712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来从方波输出中恢复音频成分，因而省去了输出滤波器，故可提供一个更小、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，而方波频率引起的音频线圈的偏移又非常小，因此，为获得最佳效果，应选用大于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，并可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，这一特性可用于去除射频发送器中高频共模信号的影响。MAX9700／MAX9712也可将任一输入端接至GND，而驱动另一输入端以将其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，但同时也失去了电容的低频抑制作用。此外，MAX9700／MAX9712还可级联构成立体声放大器，其电路结构如图3所示。
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图3中，U1是主放大器，其未经滤波的输出可用来驱动从器件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。实际上，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，而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，因此，U2内部的反馈回路可确保抑制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可对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单片机芯片，其语音压缩算法库可以方便地通过APl函数调用。本设计采用MAX9700对SPCE061A语音信号进行放大，可以收到良好效果。SPCE061A有两路语音可以形成立体声。图中只显示了其中一路(DAC1)。SYNC可通过单片机的IOBl口设置为SSM模式，开关可通过IOB2控制，音量可通过电位器CW调节。另外，由于语音输入的RC通路可以改善上电或停止时的语音质量。因此，本设计中，VDD和H桥电源均通过0.1μF电容旁路到GND和PGND，GND和PGND则采用星形布线与系统地连接，以便将地线共阻抗干扰降至最低。
3 结束语
利用MAX9700／MAX9712与凌阳16位单片机SPCE061A设计的语音输出信号放大电路可广泛用于PDA、MP3播放器、蜂窝电话以及各种需要音频控制和放大的应用场合，而且采用本方案具有EMI低、免滤波、占用线极面积小等优点，值得推广。
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