D类数字音频放大器MAX9700及其应用

0引言

MAXIM公司的D类数字音频放大器MAX9700与线性音频放大器(如A类、B类和AB类)相比，在功效上有相当的优势。对于线性放大器(如AB类)来说，偏置元件和输出晶体管的线性工作方式会损耗大量功率。而MAX9700的晶体管只是作为开关使用，主要用来控制流过负载的电流方向，所以，其输出级的功耗极低。MAX9700单声道D类数字音频功率放大器具有AB类放大器的性能和D类放大器的效率，并可节省板上空间，大幅降低很多便携式／紧凑型应用的成本，同时可延长电池寿命。由于采用D类结构。MAX9700可为8 Ω负载提供1.2 W功率，效率高达90％以上。而具有专利的低EMI调制方案则可省去传统D类方案中的输出滤波器。

1 MAX9700的主要功能特点

MAX9700提供有固定频率(FFM)模式和扩频模式两种调制方案，扩频模式可降低EMI辐射。此外，MAX9700中的振荡器还可通过SYNC输入同步到一个外部时钟，而且允许用户定义开关频率。其SYNC输入则允许多个MAX9700级联并锁定频率，故可降低时钟互调制所造成的干扰。MAX9700具有全差分结构、全桥输出以及全面的杂音抑制功能。由于其增益可由内部设定(MAX9700A：6 dB，MAX9700B：12 dB，MAX9700C：15.6 dB，MAX9700D：20 dB)，因而进一步减少了外部元件的数目。

MAX9700具有72dB的高PSRR、0.01％的低THD+N及90dB以上的SNR。短路和热过载保护功能可防止电路发生故障时损坏器件。MAX9700工作于-40℃～+85℃温度范围内，具有10引脚TDFN封装、10引脚μMAX?或12焊球UCSPTM封装形式。其管脚排列如图1所示。

MAX9700的关键特性如下：

◇无滤波放大器，符合FCC辐射标准，符合100 mm电缆传输标准；
◇具有独特的扩频模式，与传统方案相比，其辐射性能可改善5 dB；
◇可选外部SYNC输入；
◇简单的主从配置，适合立体声操作；
◇可达到94％的效率；
◇可为8 Ω负载提供1.2 W功率；
◇具有0.01％低THD+N和较高的PSRR (217Hz时72 dB)
◇有集成的杂音抑制功能；
◇静态电流低(4mA)；
◇低功耗关断模式(0.1μA)；
◇具有短路和过热保护功能；
◇采用热效应好、节省空间的封装形式。

2 MAX9700的调制模式

MAX9700有两种调制模式：一是固定频率调制(FFM)模式；二是扩谱调制(SSM)模式。FFM模式下，锯齿波的周期保持不变，这一点和传统的PWM方案相同；扩谱调制模式下，锯齿波的周期会逐周发生改变(变化范围达±10％)。

扩谱调制模式下，其周期的逐周期变化可降低基波频率下(fo±10％)的频谱能量，同时可扩展特定带宽(nfo+10％，n为正整数)内的谐波分量。这样，大量的频谱能量就不是集中在开关频率的各倍频处，而是在一个随频率而增加的带宽内展宽。当频率超过数兆赫兹后，宽带频谱看起来就像是白噪声，因而可达到降低EMI之目的。在FFM模式下，能量包含在较窄的频带内，并具有较高的峰值。而在扩谱调制模式下，其能量包含在较宽的频带内，这样可以降低峰值能量。 2.1免滤波器调制方式

传统D类放大器的一个主要缺点就是它需要外部LC滤波器。这不仅增加了方案总成本和电路板空间，也可能因滤波元件的非线性而引入额外失真。而MAX9700采用了先进的免滤波器调制方案，从而可省掉(至少可以最大限度地降低)外部滤波器的要求。

图2给出了MAX9700免滤波器调制拓扑的功能图。该方式与传统的PWM型BTL放大器不同，它的每个半桥都有自己专用的比较器，从而可独立控制每个输出。调制器由差分音频信号和高频锯齿波驱动。当两个比较器输出均为低电平时，MAX9700的每个输出均为高。与此同时，或非门的输出也变为高电平，但这样会因为RON和CON组成的RC电路而产生一定的延时。一旦或非门延时输出超过特定门限，开关SW1和SW2即会闭合。这将使OUT+和OUT-变为低，并保持到下个采样周期的开始。这种设计使得两个输出同时开通的时间(tON(MIN))最短，具体时间可由RON和CON的值决定。当输入为零时，两个输出同相并具有tON(MIN)的脉冲宽度。随着音频输入信号的增加或减小，其中一个比较器会在另一个之前先翻转。这种工作特性外加最短时间导通电路的作用，将促使一个输出改变其脉冲宽度，另一个输出的脉冲宽度保持为tON(MIN)。这种方式意味着每个输出的平均值都包含输出音频信号的半波整流结果。此后，对两路输出的平均值进行差值运算，便可得到完整的输出音频波形。图3所示是这种调制模式下的信号波形图。

由于MAX9700的输出端在空闲时为同相信号，所以负载两端没有差分电压，从而最大限度降低了静态功耗，并且无需外部滤波器。Maxim的免滤波器D类放大器从输出中提取音频信号时，并不依靠外部LC滤波器，而是依靠扬声器负载固有