MAX9720：集成 SmartSense 的 50mW 立體聲耳機(jī)放大器的卓越設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在當(dāng)今便攜式音頻設(shè)備飛速發(fā)展的時(shí)代，高性能、小體積且功能豐富的耳機(jī)放大器成為了設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。Maxim 推出的 MAX9720 立體聲耳機(jī)放大器，憑借其獨(dú)特的 DirectDrive 架構(gòu)和 SmartSense 功能，在眾多同類產(chǎn)品中脫穎而出。本文將深入剖析 MAX9720 的特點(diǎn)、工作原理、應(yīng)用場景以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為電子工程師們?cè)谝纛l設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供有價(jià)值的參考。

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一、產(chǎn)品概述

MAX9720 是一款固定增益的立體聲耳機(jī)放大器，它巧妙地融合了 DirectDrive 架構(gòu)和 SmartSense 自動(dòng)單聲道/立體聲檢測功能。傳統(tǒng)耳機(jī)放大器通常需要在耳機(jī)和放大器之間使用笨重的直流阻隔電容，而 MAX9720 的 DirectDrive 架構(gòu)從單電源產(chǎn)生以地為參考的輸出，無需大型直流阻隔電容，從而節(jié)省了成本、電路板空間和元件高度。SmartSense 功能則能自動(dòng)檢測左右放大器輸出端的短路情況，在故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)禁用短路輸出，并將立體聲輸入信號(hào)混合后路由到剩余的有效通道，有效防止放大器損壞和電池電量消耗。

二、產(chǎn)品特性

（一）DirectDrive 架構(gòu)優(yōu)勢

傳統(tǒng)單電源耳機(jī)放大器為了獲得最大動(dòng)態(tài)范圍，輸出端通常偏置在一個(gè)標(biāo)稱直流電壓（通常為電源電壓的一半），這就需要大型耦合電容來阻隔直流偏置。而 MAX9720 的 DirectDrive 架構(gòu)利用電荷泵產(chǎn)生內(nèi)部負(fù)電源電壓，使輸出端以地為偏置，幾乎使動(dòng)態(tài)范圍翻倍，同時(shí)無需大型直流阻隔電容。與傳統(tǒng)的兩個(gè)大型電容（典型值為 220μF）相比，MAX9720 的電荷泵僅需兩個(gè)小型陶瓷電容（典型值為 1μF），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)。

（二）SmartSense 自動(dòng)檢測功能

SmartSense 功能是 MAX9720 的一大亮點(diǎn)，它能自動(dòng)檢測輸出端的短路情況，并自動(dòng)重新配置放大器以實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能。當(dāng)檢測到輸出短路時(shí)，短路通道將被禁用，ALERT 輸出會(huì)向主機(jī)微控制器發(fā)出信號(hào)，設(shè)備將切換到單聲道模式（假設(shè)另一個(gè)通道未短路）。該功能通過向負(fù)載施加一個(gè)聽不見的 3μs 測試電壓脈沖，并感測測試脈沖和負(fù)載產(chǎn)生的電流來工作。如果負(fù)載阻抗小于 4Ω，則判定輸出短路。

（三）低功耗與高性能

MAX9720 工作在 1.8V 至 3.6V 的單電源下，靜態(tài)電流僅為 5mA，關(guān)機(jī)模式下的電源電流低至 6μA 至 10μA。它每通道可提供高達(dá) 50mW 的輸出功率，總諧波失真加噪聲（THD+N）低至 0.003%，電源抑制比（PSRR）高達(dá) 92dB（217kHz 時(shí)），能在嘈雜的數(shù)字電源下穩(wěn)定工作，無需額外的電源調(diào)節(jié)。

（四）多種保護(hù)功能

該放大器具備熱過載保護(hù)功能，能承受輸出端 ±4kV 的靜電放電（ESD）沖擊。欠壓鎖定（UVLO）功能可防止在電源不足的情況下工作，并通過消除啟動(dòng)和關(guān)機(jī)時(shí)的可聽瞬變來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊和爆裂聲抑制。

三、工作原理

（一）DirectDrive 偏置方案

傳統(tǒng)放大器的輸出波形以電源電壓的一半為偏置，而 MAX9720 的 DirectDrive 偏置方案使輸出以地為偏置，消除了直流分量，從而無需大型直流阻隔電容。這種設(shè)計(jì)不僅提高了動(dòng)態(tài)范圍，還改善了低頻響應(yīng)。

（二）電荷泵工作機(jī)制

MAX9720 采用低噪聲電荷泵，其 320kHz 的開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于音頻范圍，不會(huì)干擾音頻信號(hào)。開關(guān)驅(qū)動(dòng)器具有受控的開關(guān)速度，可最大限度地減少開關(guān)瞬變產(chǎn)生的噪聲。通過增加 C2 的電容值，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高頻紋波衰減。

（三）SmartSense 工作流程

SmartSense 功能由兩個(gè)模式選擇輸入 MODE1 和 MODE2 控制。在自動(dòng)檢測模式下，當(dāng)滿足特定條件（如 HPS 上升超過 0.8 x VDD、接近過流閾值、芯片溫度超過熱限制或電源/關(guān)機(jī)循環(huán)）時(shí)，會(huì)觸發(fā) SmartSense 測試序列。如果檢測到故障，短路輸出將被禁用，立體聲輸入信號(hào)將被混合并路由到剩余的有效通道。

四、應(yīng)用場景

MAX9720 適用于各種便攜式音頻設(shè)備，如個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、智能手機(jī)、蜂窩電話、平板電腦、MP3 播放器、便攜式音頻設(shè)備和筆記本電腦等。其高性能和多功能特性使其成為這些設(shè)備中耳機(jī)放大器的理想選擇。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）組件選擇

• 輸入濾波：輸入電容（CIN）與 MAX9720 的輸入阻抗形成一個(gè)高通濾波器，用于去除輸入信號(hào)中的直流偏置。建議選擇具有低電壓系數(shù)的電容，如鉭電容或鋁電解電容。
• 電荷泵電容：電荷泵電容的選擇對(duì)放大器的性能至關(guān)重要。建議使用等效串聯(lián)電阻（ESR）小于 100mΩ 的電容，如 X7R 陶瓷電容。對(duì)于最高輸出功率，建議使用 2.2μF 的電荷泵電容；對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，1μF 或更低的電容也可滿足需求。
• 電源旁路電容：電源旁路電容（C3）可降低電源的輸出阻抗，減少電荷泵開關(guān)瞬變的影響。建議將 C3 與 C1 采用相同的值，并將其放置在靠近設(shè)備的位置。
• TIME 電容：TIME 電容（CTIME）用于設(shè)置 HPS 消抖時(shí)間，建議選擇 200nF 至 600nF 范圍內(nèi)的值。

（二）布局和接地

正確的布局和接地對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳性能至關(guān)重要。建議將 PGND 和 SGND 在印刷電路板上的單點(diǎn)連接，將與電荷泵相關(guān)的所有組件（C2 和 C3）連接到 PGND 平面，將 PVSS 和 SVSS 在設(shè)備處連接。同時(shí)，應(yīng)將正電源和負(fù)電源的旁路通過電荷泵電容 C2 和 C3 實(shí)現(xiàn)，將電容 C1 和 C3 盡可能靠近設(shè)備放置，將電容 C2 盡可能靠近 PVSS 放置，并將 PGND 和所有攜帶開關(guān)瞬變的走線遠(yuǎn)離音頻信號(hào)路徑中的 SGND、走線和組件。

（三）音量控制

通過添加數(shù)字電位器可以實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)字音量控制。例如，可將 MAX5408 雙對(duì)數(shù)錐度數(shù)字電位器用作輸入衰減器，將其高端連接到音頻輸入，低端連接到地，抽頭連接到 CIN。

六、總結(jié)

MAX9720 立體聲耳機(jī)放大器以其獨(dú)特的 DirectDrive 架構(gòu)和 SmartSense 功能，為便攜式音頻設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了一種高性能、小體積、低功耗的解決方案。它不僅節(jié)省了成本和電路板空間，還提高了音頻質(zhì)量和設(shè)備的可靠性。電子工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)音頻系統(tǒng)時(shí)，可充分利用 MAX9720 的這些特性，打造出更加出色的產(chǎn)品。你在使用類似耳機(jī)放大器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。