MAX9718/MAX9719：低成本單聲道/立體聲1.4W差分音頻功率放大器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在便攜式音頻設(shè)備的設(shè)計(jì)中，一款性能優(yōu)異且成本低廉的音頻功率放大器至關(guān)重要。MAXIM公司的MAX9718/MAX9719差分輸入音頻功率放大器就是這樣一款產(chǎn)品，它能為便攜式音頻設(shè)備帶來(lái)高質(zhì)量的音頻放大效果。今天我們就來(lái)深入探討一下這兩款放大器的特點(diǎn)、性能以及設(shè)計(jì)應(yīng)用中的要點(diǎn)。

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產(chǎn)品概述

基本特性

MAX9718/MAX9719非常適合帶有內(nèi)置揚(yáng)聲器的便攜式音頻設(shè)備。其差分輸入結(jié)構(gòu)極大地提高了噪聲抑制能力，具備出色的共模抑制特性。采用橋接負(fù)載（BTL）架構(gòu)，不僅能提供高質(zhì)量的功率音頻放大，還能有效減少外部元件的數(shù)量。其中，MAX9718是單通道放大器，而MAX9719則是用于立體聲系統(tǒng)的雙通道放大器。在單 +5V 電源供電的情況下，兩款設(shè)備每通道都能向 4Ω 負(fù)載提供 1.4W 的連續(xù)平均功率，且總諧波失真加噪聲（THD + N）小于 1%。

增益選項(xiàng)

它們有可調(diào)增益放大器版本，也有內(nèi)部固定增益為 0dB、3dB 和 6dB 的版本，這有助于減少元件數(shù)量，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

低功耗模式

具備 100nA 的低功耗關(guān)斷模式，通過(guò)關(guān)斷輸入可以禁用偏置發(fā)生器和放大器，將靜態(tài)電流消耗降低到極低水平。而且MAX9718的關(guān)斷輸入極性可以設(shè)置為高電平有效或低電平有效。

無(wú)咔嗒聲和噗噗聲設(shè)計(jì)

采用了Maxim公司領(lǐng)先的咔嗒聲和噗噗聲抑制電路，能有效減少啟動(dòng)和關(guān)斷過(guò)程中可聽見的咔嗒聲和噗噗聲，提升用戶的聽覺(jué)體驗(yàn)。

封裝與溫度范圍

MAX9718有 9 凸點(diǎn) UCSP?、10 引腳 TDFN 和 10 引腳 μMAX? 等封裝形式；MAX9719則提供 16 引腳 TQFN、16 引腳 TSSOP 和 16 凸點(diǎn) UCSP 等封裝。兩款設(shè)備都能在 -40°C 至 +85°C 的擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)正常工作。

電氣特性分析

電源相關(guān)特性

• 電源電壓范圍：工作電源電壓范圍為 2.7V 至 5.5V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 電源電流：在不同的工作條件下，電源電流有所不同。例如，在正常工作時(shí)，每通道的電源電流在 5.0mA 至 7.5mA 之間；而在關(guān)斷模式下，每通道的關(guān)斷電源電流可低至 0.1μA 至 1μA。
• 關(guān)斷閾值：不同型號(hào)的 MAX9718 在關(guān)斷輸入閾值上有差異，如 MAX9718A/B/C/D 的關(guān)斷輸入高電平閾值為 0.7 x VCC，低電平閾值為 0.3 x VCC；而 MAX9718E/F/G/H 的關(guān)斷輸入高電平閾值為 1.4V，低電平閾值為 0.4V。

輸出與輸入特性

• 輸出失調(diào)電壓：根據(jù)不同的增益設(shè)置和型號(hào)，輸出失調(diào)電壓有所不同。例如，在增益為 0dB 時(shí)，MAX971_A/H 的輸出失調(diào)電壓在 ±1mV 至 ±10mV 之間。
• 共模輸入電壓：共模輸入電壓范圍也與增益設(shè)置有關(guān)，在不同增益下，其范圍在 0.5V 至 VCC - 0.5V 至 VCC - 1.2V 之間。
• 輸入阻抗：MAX971_B/E、MAX971_C/F、MAX971_D/G 的輸入阻抗在 10kΩ 至 20kΩ 之間。

其他特性

• 共模抑制比（CMRR）：在 1kHz 時(shí)，CMRR 可達(dá) -60dB，能有效抑制共模信號(hào)的干擾。
• 電源抑制比（PSRR）：在 217Hz 時(shí)，PSRR 高達(dá) -93dB，能很好地抑制電源噪聲。
• 輸出功率：在 1% THD + N 的條件下，每通道可向 4Ω 負(fù)載提供 1.4W 的輸出功率，向 8Ω 負(fù)載提供 0.8W 至 1.1W 的輸出功率。

典型工作特性

從典型工作特性曲線中，我們可以看到 THD + N 與頻率、輸出功率等參數(shù)之間的關(guān)系。例如，在不同的輸出功率和頻率下，THD + N 的值會(huì)發(fā)生變化。這對(duì)于我們?cè)谠O(shè)計(jì)中選擇合適的工作點(diǎn)非常重要，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，平衡輸出功率和 THD + N 等指標(biāo)，以達(dá)到最佳的音頻性能。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

BTL 放大器的優(yōu)勢(shì)

MAX9718/MAX9719 采用 BTL 放大器配置，與單端配置相比，它能使輸出電壓加倍，從而使輸出功率提高四倍。而且由于差分輸出在電源中點(diǎn)偏置，負(fù)載上沒(méi)有凈直流電壓，無(wú)需使用單端放大器所需的直流阻隔電容，避免了這些電容帶來(lái)的成本、空間和低頻性能下降等問(wèn)題。

功率耗散與散熱

在正常工作條件下，MAX9718/MAX9719 會(huì)消耗大量功率。我們可以根據(jù)絕對(duì)最大額定值部分給出的連續(xù)功率耗散數(shù)據(jù)，或者通過(guò)公式 (P{D(MAX)}=frac{T{J(MAX)}-T{A}}{theta{JA}}) 來(lái)計(jì)算最大允許的功率耗散。如果內(nèi)部功率耗散超過(guò)了給定封裝的最大允許值，可以通過(guò)增加接地平面的散熱能力、加大連接到設(shè)備的走線尺寸等方法來(lái)降低功率耗散。同時(shí)，熱過(guò)載保護(hù)電路會(huì)在結(jié)溫超過(guò) +160°C 時(shí)禁用放大器輸出級(jí)，當(dāng)結(jié)溫下降 15°C 后放大器會(huì)重新啟用。為了實(shí)現(xiàn)最佳的功率耗散和散熱效果，應(yīng)將 μMAX、TDFN、TQFN 和 TSSOP 封裝上的外露焊盤連接到大面積的接地平面。

增益設(shè)置

• 固定增益：MAX9718B/E、MAX9718C/F、MAX9718D/G、MAX9719B、MAX9719C 和 MAX9719D 具有內(nèi)部固定增益，這簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，減少了所需的電路板面積，并且無(wú)需外部增益設(shè)置電阻。
• 可調(diào)增益：MAX9718A/H 和 MAX9719A 的增益由外部反饋電阻設(shè)置，通過(guò)公式 (A{V}=frac{R{F}}{R_{IN}}) 可以計(jì)算出所需的增益。例如，當(dāng) RIN 為 10kΩ，RF 為 20kΩ 時(shí)，增益為 2V/V（即 6dB），而且 RF 可以是固定電阻或可變電阻，方便通過(guò)軟件控制增益。

輸入濾波器

如果使用輸入電容，輸入電容 (C_{IN}) 與 RIN 會(huì)形成一個(gè)高通濾波器，用于去除輸入信號(hào)中的直流偏置。但設(shè)置 -3dB 點(diǎn)過(guò)高會(huì)影響放大器的低頻響應(yīng)，因此應(yīng)選擇具有低電壓系數(shù)電介質(zhì)的電容，如鉭或鋁電解電容，避免使用陶瓷電容等可能增加低頻失真的電容。

BIAS 電容

BIAS 是內(nèi)部產(chǎn)生的 VCC/2 偏置電壓的輸出端。BIAS 旁路電容 CBIAS 能通過(guò)減少共模偏置節(jié)點(diǎn)處的電源和其他噪聲源來(lái)改善 PSRR 和 THD + N，同時(shí)為揚(yáng)聲器放大器生成無(wú)咔嗒聲/噗噗聲的啟動(dòng)直流偏置波形。建議使用 0.1μF 的電容將 BIAS 旁路到地，增大 CBIAS 的值（最大到 1μF）可以改善 PSRR，但會(huì)減慢開啟/關(guān)閉時(shí)間。

電源旁路

為了確保低噪聲、低失真的性能，應(yīng)使用一個(gè) 1μF 的陶瓷電容將 VCC 旁路到地，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)盡可能靠近設(shè)備放置。

布局與接地

良好的 PCB 布局對(duì)于優(yōu)化性能至關(guān)重要。應(yīng)使用大尺寸的走線來(lái)連接電源輸入和放大器輸出，以減少寄生走線電阻帶來(lái)的損耗，并將熱量從設(shè)備中散發(fā)出去。合理的接地設(shè)計(jì)可以改善音頻性能，減少通道之間的串?dāng)_，防止數(shù)字開關(guān)噪聲耦合到音頻信號(hào)中。同時(shí)，MAX9718/MAX9719 的 TDFN、TQFN、TSSOP 和 μMAX 封裝底部有外露的散熱焊盤，應(yīng)使用多個(gè)過(guò)孔將其連接到接地平面，以降低封裝的熱阻。

結(jié)語(yǔ)

MAX9718/MAX9719 差分輸入音頻功率放大器以其出色的性能、豐富的功能和多樣的封裝形式，為便攜式音頻設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要充分了解其電氣特性和工作特性，合理運(yùn)用各種設(shè)計(jì)要點(diǎn)，才能發(fā)揮出這兩款放大器的最佳性能，為用戶帶來(lái)高質(zhì)量的音頻體驗(yàn)。大家在實(shí)際應(yīng)用中有沒(méi)有遇到過(guò)什么問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。