低EMI、D类音频放大器及其应用

PDA、MP3播放器、蜂窝电话等便携式音频装置的设计通常受电源噪声、空间有限、与数字电路共用电源/接地等诸多因素的影响，最终用户在要求提高音频性能的同时还要求延长电池的工作寿命，这些需求往往相互冲突，延长电池的工作时间需要随时关断那些不工作的电路，这将产生一些明显的音频干扰。因此便携式产品音频电路的设计需满足尺寸小、性能高、噪声低、能够与ASIC、处理器和DC-DC转换器协同工作等要求。开关型音频放大器(D类)具有较高的效率，但是，由于D类放大器实际上是把音频信号变成了非线性脉冲，所产生的失真是显而易见的，需要输出滤波器从放大器输出恢复音频信号，同时，滤波器也增加了成本，增大了放大器的尺寸。Maxim新推出的D类音频功率放大器(MAX9700/MAX9712)对开关模式放大技术作了一些重要改进，利用独特的调制结构省去了输出滤波器，可为便携式产品提供一种更小、更便宜、效率更高的方案。

低EMI调制结构
MAX9700/MAX9712利用独特的调制结构以D类效率提供AB类放大器的性能，占用很小电路板空间。MAX9712可为8W负载提供500mW的功率，MAX9700能够为8W负载提供高达1.2W的功率。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。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，周期由锯齿波振荡器的频率决定，PWM信号控制H桥驱动器，打开或者关闭状态相反的一对MOSFET，使得扬声器两端的净电压(VOUT+ - VOUT-)随输入信号发生变化，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。
工作模式
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。FFM模式下可通过SYNC引脚选择频率，SYNC=GND时开关频率为1.1MHz、SYNC = FLOAT时开关频率为1.45MHz。另外，在SYNC引脚上施加800kHz~2MHz的外部TTL时钟，可以使放大器与系统时钟同步(提供完全同步的系统)或将开关谐波的频谱成分分配到不敏感的频段。SYNC = VDD时放大器工作在SSM模式，在SSM模式下，开关频率在中心频率(1.22MHz)附近随机变化?20kHz。调制方案不变，但锯齿波的频率随周期改变，此时能量分散到随频率增长的整个频宽上，而不是将大量频谱能量集中在开关频率的倍频处。在高于几MHz的频带上，EMI等效于宽带频谱的白噪声，与传统方案相比，扩频模式使辐射指标改善5dB。
无滤波调制
MAX9700/MAX9712采用特有的调制方案，可以省去传统D类放大器所需的LC滤波器，既提高了效率、减少了元件数，又节省了电路板空间和系统成本。当MAX9700/MAX9712输入端没有信号时，输出开关波形如图1所示。由于放大器采用差分方式驱动扬声器，两路输出互相抵消，于是扬声器两端空闲模式下的净电压为0，降低了功耗。另外，因为MAX9712的输出频率远远超出了大多数扬声器的带宽，由开关频率引起的音频线圈的偏移非常小，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即可从方波输出中恢复音频成分。为获得最佳效果，也可以用一个大于10mH的电感与扬声器串联。

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，任何与D类输出级有关的功率损耗主要是由MOSFET导通电阻与消耗静态电流产生的I