利用G类放大器和电荷泵技术在增强型放大器设计

摘要：Maxim采用创新G类技术和基于电荷泵的架构，推出了增强型放大器。这些放大器设计可理想用于要求高压输出的便携应用，而不会牺牲效率或PCB空间。本应用笔记说明在扬声器功率驱动电路中使用电荷泵和G类技术的优势。文中以MAX9730和MAX9788扬声器放大器作为设计实例。

概述

便携音频应用中存在一个共同的问题，即扬声器放大器的供电电压有限。这些音频系统通常采用锂离子(Li+)电池供电，输出额定值为3.7V。虽然3.7V电源足以保证系统的大多数元件正常工作，但是，为了提供令人满意的声压，扬声器放大器需要更高的供电电压。因此，大多数扬声器放大器的功率级都采用桥接负载配置，以便在扬声器上产生两倍的电源电压。

多数情况下使扬声器电源电压加倍就足以满足要求，但有些应用需要更大的输出功率。例如：压电扬声器(需要较高的电压驱动)或需要较高声压的系统(例如GPS设备)。针对这些音频应用的需求，唯一的解决方案是提升电源电压，通常需要一个单独的DC-DC升压转换器，从而增加系统的成本和复杂度。

G类放大器MAX9730和MAX9788利用电荷泵提升电源电压，以解决电源电压问题。MAX9730适用传统的动圈扬声器，而MAX9788适用于陶瓷扬声器。

创新的电荷泵

与标准的5V放大器相比，MAX9730和MAX9788使用电荷泵使输出电平加倍。电荷泵完全集成在放大器内部，仅需两个外部电容，可以使用0603微型表面贴装电容。集成电荷泵产生幅度与电源电压相等的负电压，使供电电压加倍，最终得到加倍的输出摆幅。

与DC-DC升压转换器不同，电荷泵具有较大的输出阻抗，带负载时会导致负电源跌落。MAX9730和MAX9788的设计能够确保电荷泵的输出阻抗足够低，以提供足够的输出功率。传统放大器采用3.7V供电时，可以向8Ω负载提供700mW的驱动，MAX9730在同等条件下可以提供1.3W输出驱动。

独特的G类技术

由于MAX9730和MAX9788用10V放大器替代手持设备中常见的5V放大器，保持高效率就成为延长电池寿命的关键。虽然D类技术具有高效率并常用于手持设备，但它不符合陶瓷扬声器的驱动要求。设计挑战非常明确 — 陶瓷扬声器需要其它驱动技术。G类放大器，一种并不知名的放大器技术，由于其完美的适应性被推向市场。

G类放大器的工作原理类似于AB类放大器，只是多路供电电压，而非一路固定电压。随着输入信号幅度的变化，G类架构可以自动选择合适的电源，从而使输出晶体管的压降最低，大大提高效率。G类放大器通常由两路正电源供电，较高的电源用于输出较高电平，较低的电源用于输出较低电平。

G类放大器MAX9730和MAX9788则以独特的方式利用了G类技术，它们由电荷泵产生负压，而非高、低正电源。当放大器产生较小的输出信号时，放大器由电池电压和地作为供电电源。这种模式下，器件的工作方式与常见的5V AB类放大器(图1a)类似。当输出信号超出电源电压时，放大器选择电池电压和负电荷泵输出供电(图1b)。由此，放大器可以输出远远高于传统放大器的信号。


图1a和1b. 工作在较低电压(a)和较高电压(b)的MAX9788 G类输出级。

MAX9730和MAX9788可以确保在两个电源之间切换不会产生音频杂音。当输出信号达到VCC和GND供电所允许的极限时，负电源被自动连接至输出级。这样，输出信号不会在负摆幅侧出现削顶，但仍会钳位其正摆幅。为了校正这一点，放大器给负极性输出增加额外的校正信号，如图2所示。分别观察正、负输出时，正半周波形被明显削顶，而负半周存在明显失真。尽管这些信号出现了严重的失真，但却被严格控制，充分利用了该架构的优势。施加到负载上的实际输出信号没有失真。


图2. MAX9788产生的G类输出波形。

结论

将G类技术与负压电荷泵相结合，MAX9730和MAX9788可以为音频设计所面临的公共问题提供有效的解决方案。大多数内部提供升压的放大器需要大尺寸电感，而MAX9730和MAX9788只需使用两个小尺寸电容，有助于节省PCB空间和成本。MAX9730和MAX9788利用高效G类结构降低电流消耗，改进现有的设计。