MAX97220A - MAX97220E：高性能音頻放大器的卓越之選

在音頻設(shè)備的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能出色的放大器對(duì)于實(shí)現(xiàn)高保真音頻至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討一下Maxim Integrated推出的MAX97220A - MAX97220E系列差分輸入DirectDrive線路驅(qū)動(dòng)器/耳機(jī)放大器，看看它能為我們的設(shè)計(jì)帶來(lái)哪些驚喜。

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產(chǎn)品概述

基本性能

MAX97220系列是專(zhuān)為機(jī)頂盒、LCD電視和家庭影院等對(duì)音頻保真度要求極高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它能夠在降低功耗的同時(shí)，保持高信噪比（SNR）和低總諧波失真加噪聲（THD + N）性能。該系列放大器在不同電源電壓下表現(xiàn)出色，5V供電時(shí)可提供3VRMS的輸出驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)1kΩ負(fù)載；3.3V供電時(shí)，能輸出2VRMS的信號(hào)驅(qū)動(dòng)600Ω負(fù)載。在耳機(jī)負(fù)載驅(qū)動(dòng)方面，5V供電下可向32Ω負(fù)載提供125mW的功率。

版本差異

MAX97220系列有不同的版本可供選擇，主要區(qū)別在于開(kāi)啟時(shí)間（tON）。A、C和E版本專(zhuān)為耳機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)，tON為5.5ms；而B(niǎo)和D版本則適用于機(jī)頂盒應(yīng)用，tON為130ms。這使得設(shè)計(jì)師可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景靈活選擇合適的版本。

關(guān)鍵特性解析

差分輸入優(yōu)勢(shì)

該系列IC可配置為差分或偽差分輸入放大器，這種設(shè)計(jì)使其能與各種編解碼器兼容。與單端輸入相比，差分輸入具有更好的抗噪能力。在手機(jī)等設(shè)備中，射頻發(fā)射器的高頻信號(hào)可能會(huì)耦合到放大器的輸入線路中，以共模噪聲的形式出現(xiàn)在放大器輸入端口。而差分輸入放大器能夠放大兩個(gè)輸入的差值，同時(shí)抵消共模信號(hào)，從而有效提高抗干擾能力。

DirectDrive架構(gòu)創(chuàng)新

傳統(tǒng)的單電源耳機(jī)放大器為了獲得最大動(dòng)態(tài)范圍，輸出通常會(huì)偏置在一個(gè)標(biāo)稱(chēng)直流電壓（通常為電源電壓的一半），這就需要使用大電容來(lái)阻隔直流偏置，以避免直流電流流入耳機(jī)造成不必要的功耗和可能的損壞。而MAX97220系列采用了Maxim的專(zhuān)利DirectDrive架構(gòu)，通過(guò)片上電荷泵產(chǎn)生內(nèi)部負(fù)電源電壓，使IC輸出能夠以PGND為偏置，無(wú)需使用大的直流阻隔電容。這樣不僅節(jié)省了電路板空間、降低了成本，還改善了耳機(jī)放大器的頻率響應(yīng)。

低噪聲與高保真度

MAX97220系列在整個(gè)音頻帶寬內(nèi)具有出色的THD + N性能，優(yōu)于90dB。輸出噪聲電壓低至7μVRMS，在5V供電時(shí)可實(shí)現(xiàn)112dB的SNR，3.3V供電時(shí)為109dB，為高保真音頻輸出提供了有力保障。

多種功能特性

• 欠壓鎖定：當(dāng)電源供應(yīng)不足時(shí)，欠壓鎖定功能會(huì)阻止放大器工作，避免異常情況發(fā)生。
• 點(diǎn)擊和噗聲抑制：采用Maxim領(lǐng)先的點(diǎn)擊和噗聲抑制電路，在進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)時(shí)，放大器輸出為高阻抗接地，有效減少音頻頻段內(nèi)的能量，消除啟動(dòng)和關(guān)機(jī)時(shí)的可聽(tīng)瞬態(tài)噪音。
• 低功耗關(guān)機(jī)模式：具有1μA的低功耗關(guān)機(jī)模式，進(jìn)入該模式后，內(nèi)部偏置電路禁用，放大器輸出呈高阻抗，BIAS引腳被驅(qū)動(dòng)到PGND，同時(shí)MAX97220A/MAX97220B/MAX97220E的輸入也被驅(qū)動(dòng)到PGND，大幅降低功耗。

電氣特性與性能參數(shù)

電源與電流特性

• 電源電壓范圍：工作電壓范圍為2.5V至5.5V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 靜態(tài)電源電流：不同版本在無(wú)負(fù)載時(shí)的電源電流有所差異，例如A版本在TA = +25°C時(shí)典型值為5.5mA，B/C/D/E版本為5mA。在3.3V電源電壓且無(wú)負(fù)載時(shí)，典型值為5mA。
• 關(guān)機(jī)電源電流：在SHDN = 0且TA = +25°C時(shí)，關(guān)機(jī)電源電流典型值為1μA，最大值為10μA。

放大器性能指標(biāo)

• 輸入電阻：C/D版本的輸入電阻典型值為10kΩ，范圍在7.4kΩ至12.7kΩ之間。
• 增益設(shè)置：C/D版本的增益內(nèi)部固定為6dB，而A/B/E版本的增益可通過(guò)外部電阻設(shè)置，計(jì)算公式為AV = -RF / RIN，反饋電阻值應(yīng)在4.7kΩ至100kΩ范圍內(nèi)選擇。
• 輸出偏移電壓：在單位增益且TA = +25°C時(shí)，輸出偏移電壓最大值為350μV。
• 輸入共模電壓范圍：不同版本的輸入共模電壓范圍有所不同，A/B/E版本為 -0.5 x VPVDD至 +0.5 x VPVDD，C/D版本為 -0.75 x VPVDD至 +0.75 x VPVDD。
• 最大差分輸入信號(hào)：最大差分輸入信號(hào)不會(huì)因違反共模輸入范圍而導(dǎo)致額外失真，最大值等于PVDD。

其他性能參數(shù)

• 電源抑制比（PSRR）：在2.5V至5.5V電源電壓范圍內(nèi)，A/B/E版本典型值為90dB，C/D版本為73dB至90dB。在不同頻率和紋波條件下，PSRR也有相應(yīng)的表現(xiàn)，如fIN = 217Hz、200mV P - P紋波時(shí)為78dB，fIN = 10kHz、200mV P - P紋波時(shí)為63dB。
• 共模抑制比（CMRR）：A/B/E版本在 -VPVDD / 2至 +VPVDD / 2共模電壓范圍內(nèi)典型值為86dB，C/D版本在 -0.75 x VPVDD至 +0.75 x VPVDD范圍內(nèi)典型值為60dB。
• 輸出功率和電壓擺動(dòng)：在不同負(fù)載和電源電壓條件下，輸出功率和電壓擺動(dòng)表現(xiàn)不同。例如，在1kHz、600Ω負(fù)載且THD + N < 0.1%時(shí)，5V供電下輸出電壓擺動(dòng)為3VRMS，3.3V供電時(shí)為2.15VRMS；在RL = 32Ω、THD + N = 1%時(shí)，輸出功率可達(dá)125mW。
• 總諧波失真加噪聲（THD + N）：在不同頻率、輸出電壓和負(fù)載條件下，THD + N性能表現(xiàn)優(yōu)異。例如，在1kHz、22Hz至22kHz帶寬、VOUT = 3VRMS、RL = 10kΩ時(shí)，THD + N典型值為 - 103dB。
• 信噪比（SNR）：A/B/E版本在VOUT = 3VRMS、THD + N = 0.1%、A加權(quán)、RIN = RF、RL = 1kΩ時(shí)，SNR典型值為112.5dB；在VOUT = 2VRMS、VPVDD = 3.3V、THD + N = 0.1%、A加權(quán)、RIN = RF、RL = 600Ω時(shí)，SNR典型值為109dB。C/D版本在相應(yīng)條件下也有較好的表現(xiàn)。

應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

與MAX9722的兼容性

MAX97220系列與MAX9722的封裝兼容。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，如果要同時(shí)兼容這兩款芯片，可以在BIAS/SVSS（MAX97220_/MAX9722引腳11）到PGND之間放置一個(gè)電容焊盤(pán)，并在BIAS/SVSS到PVSS（兩款芯片的引腳5）之間放置一個(gè)0Ω電阻焊盤(pán)。使用MAX9722時(shí)安裝0Ω電阻，使用MAX97220系列時(shí)則不安裝該電阻。

功率耗散與熱管理

在驅(qū)動(dòng)耳機(jī)負(fù)載時(shí)，IC會(huì)消耗大量功率。最大功耗可通過(guò)絕對(duì)最大額定值部分的連續(xù)功率耗散數(shù)據(jù)獲取，也可使用公式PD(MAX) = (TJ(MAX) - TA) / θJA計(jì)算，其中TJ(MAX)為 +150°C，TA為環(huán)境溫度，θJA為絕對(duì)最大額定值部分指定的降額系數(shù)的倒數(shù)。由于IC是立體聲放大器，給定VDD和負(fù)載下的總最大內(nèi)部功耗可使用公式PD(MAX) = 4VDD2 / (π2RL)計(jì)算。如果應(yīng)用中的內(nèi)部功耗超過(guò)給定封裝的最大允許值，可以通過(guò)降低電源電壓、環(huán)境溫度、輸入信號(hào)、增益或增加負(fù)載阻抗來(lái)降低功耗。此外，TQFN封裝底部的暴露散熱墊可降低封裝的熱阻抗，應(yīng)將其連接到PGND或隔離平面。

電容選擇

• 電荷泵電容：為了獲得最佳性能，應(yīng)使用等效串聯(lián)電阻（ESR）小于100mΩ的電容。低ESR陶瓷電容可最小化電荷泵的輸出電阻，對(duì)于寬溫度范圍的應(yīng)用，建議選擇具有X7R電介質(zhì)的電容。
• 飛跨電容（C1）：飛跨電容的值影響電荷泵的負(fù)載調(diào)節(jié)和輸出電阻。值過(guò)小會(huì)降低器件提供足夠電流驅(qū)動(dòng)的能力，導(dǎo)致輸出電壓損失；適當(dāng)增加C1的值可以改善負(fù)載調(diào)節(jié)并降低電荷泵輸出電阻，但超過(guò)1μF后，開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻以及C1和C2的ESR將起主導(dǎo)作用。
• 保持電容（C2）：保持電容的值和ESR直接影響PVSS的紋波，建議使用低ESR的1μF電容。

放大器增益設(shè)置

C/D版本的增益內(nèi)部固定為6dB，所有增益設(shè)置電阻都集成在器件內(nèi)部，與DirectDrive架構(gòu)配合使用，僅需微小的1μF電容即可完成放大器電路。而A/B/E版本的增益需要通過(guò)外部電阻設(shè)置，如前面所述，公式為AV = -RF / RIN，反饋電阻值范圍為4.7kΩ至100kΩ。

電源旁路與PCB布局

• 電源旁路：正確的電源旁路對(duì)于實(shí)現(xiàn)低噪聲、低失真性能至關(guān)重要。應(yīng)在PVDD和SVDD到PGND之間連接1μF陶瓷電容，并根據(jù)應(yīng)用需求添加額外的大容量電容。旁路電容應(yīng)盡可能靠近器件放置。
• PCB布局和接地：良好的PCB布局對(duì)于優(yōu)化性能至關(guān)重要。應(yīng)使用大走線連接電源輸入和放大器輸出，以減少寄生走線電阻造成的損耗，并將熱量從器件引開(kāi)。將PGND和SGND在PCB上的單點(diǎn)連接，所有與電荷泵相關(guān)的組件（C1和C2）連接到PGND平面，PVDD和SVDD在器件處連接。確保PCB布局合理分區(qū)，避免接地平面中的大開(kāi)關(guān)電流通過(guò)SGND以及音頻信號(hào)路徑中的走線和組件回流。此外，為了提高射頻抗干擾能力，可在PCB頂層或底層的所有信號(hào)走線周?chē)砑咏拥靥畛?，并在多?a target="_blank">PCB設(shè)計(jì)中使用實(shí)心接地平面。

總結(jié)

MAX97220A - MAX97220E系列差分輸入DirectDrive線路驅(qū)動(dòng)器/耳機(jī)放大器以其卓越的音頻性能、創(chuàng)新的架構(gòu)設(shè)計(jì)和豐富的功能特性，為音頻設(shè)備設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的解決方案。無(wú)論是在高保真度要求的家庭影院系統(tǒng)中，還是在對(duì)功耗和空間有嚴(yán)格限制的移動(dòng)設(shè)備里，該系列產(chǎn)品都能發(fā)揮出色的作用。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師只需根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇版本、精心設(shè)置參數(shù)，并遵循正確的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，就能充分發(fā)揮出MAX97220系列的優(yōu)勢(shì)，打造出令人滿(mǎn)意的音頻產(chǎn)品。大家在使用這款產(chǎn)品的過(guò)程中，遇到過(guò)哪些有趣的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎分享交流！