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利用G类放大器和电荷泵技术在增强型放大器设计中以最少元件获得最高效率
发布时间：2018/8/18 9:56:00 来源：永阜康科技
摘要：Maxim采用创新G类技术和基于电荷泵的架构，推出了增强型放大器。这些放大器设计可理想用于要求高压输出的便携应用，而不会牺牲效率或PCB空间。本应用笔记说明在扬声器功率驱动电路中使用电荷泵和G类技术的优势。文中以MAX9730和MAX9788扬声器放大器作为设计实例。
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。
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的设计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3.7V供电时，可以向8Ω负载提供700mW的驱动，MAX9730在同等条件下可以提供1.3W输出驱动。
G类放大器的工作原理类似于AB类放大器，只是多路供电电压，而非一路固定电压。随着输入信号幅度的变化，G类架构可以自动选择合适的电源，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，较高的电源用于输出较高电平，较低的电源用于输出较低电平。
G类放大器MAX9730和MAX9788则以独特的方式利用了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5V 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，放大器可以输出远远高于传统放大器的信号。
图1a和1b. 工作在较低电压(a)和较高电压(b)的MAX9788 G类输出级。
MAX9730和MAX9788可以确保在两个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，但仍会钳位其正摆幅。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。
图2. MAX9788产生的G类输出波形。
概述
便携音频应用中存在一个共同的问题，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3.7V。虽然3.7V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两倍的电源电压。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。
创新的电荷泵
与标准的5V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，仅需两个外部电容，可以使用0603微型表面贴装电容。集成电荷泵产生幅度与电源电压相等的负电压，使供电电压加倍，最终得到加倍的输出摆幅。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的设计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3.7V供电时，可以向8Ω负载提供700mW的驱动，MAX9730在同等条件下可以提供1.3W输出驱动。
独特的G类技术
由于MAX9730和MAX9788用10V放大器替代手持设备中常见的5V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手持设备，但它不符合陶瓷扬声器的驱动要求。设计挑战非常明确—陶瓷扬声器需要其它驱动技术。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，只是多路供电电压，而非一路固定电压。随着输入信号幅度的变化，G类架构可以自动选择合适的电源，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，较高的电源用于输出较高电平，较低的电源用于输出较低电平。
G类放大器MAX9730和MAX9788则以独特的方式利用了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5V 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，放大器可以输出远远高于传统放大器的信号。
图1a和1b. 工作在较低电压(a)和较高电压(b)的MAX9788 G类输出级。
MAX9730和MAX9788可以确保在两个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，但仍会钳位其正摆幅。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。
图2. MAX9788产生的G类输出波形。
