电荷泵技术在G类放大器中的应用

1 引言
    便携音频应用中存在一个共同问题，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3．7 V。虽然3．7 V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2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。

2 创新的电荷泵
    与标准的5 V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,仅需两只外部电容,可采用0603微型表面贴封装的电容。集成电荷泵产生幅值与电源电压相等的负电压,使供电电压加倍,最终获得加倍的输出摆幅。

    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3．7 V供电时,可以向8 Ω负载提供700 mW的驱动功率，而MAX9730在同等条件下可以提供1．3 W输出驱动功率。

3 独特的G类技术
    由于MAX9730和MAX9788用10 V放大器替代便携设备中常见的5 V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便携设备，但它不符合陶瓷扬声器的驱动要求。设计挑战非常明确——陶瓷扬声器需要其他驱动技术。因此，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,区别在于G类放大器是多路供电电压,而非一路固定电压。随着输入信号幅度的变化,G类架构自动选择合适电源，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,高电源用于输出较高电平，低电源用于输出低电平。
    G类放大器MAX9730和MAX9788则以独特的方式利用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5 V 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，G类放大器的输出信号远远高于传统放大器的信号。

    MAX9730和MAX9788可以确保在两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，仍箝位于其正摆幅。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。

4 结束语
    将G类技术与负压电荷泵相结合，MAX9730和MAX9788可为音频设计所存在的共同问题提供了有效解决方案。大多数内部提供升压的放大器都需要大尺寸电感，而MAX9730和MAX9788只需使用两只小尺寸电容即可，有助于节省PCB空间和成本。MAX9730和MAX9788利用高效G类架构降低电流消耗，并改进现有设计。