多路復(fù)用升壓D類，無(wú)需額外的外部電路

升壓D類放大器驅(qū)動(dòng)電壓大于電源電壓的揚(yáng)聲器。這些放大器正變得越來(lái)越普遍，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S來(lái)自單個(gè)鋰離子電池的更高性能音頻。然而，大多數(shù)升壓D類放大器不允許用戶訪問內(nèi)部升壓電壓。這使得使用常見的模擬開關(guān)很難將揚(yáng)聲器多路復(fù)用到多個(gè)音頻源。本應(yīng)用筆記討論了MAX14689的超擺幅功能如何使其無(wú)需額外電路即可切換這些信號(hào)。

介紹

音頻工程師越來(lái)越多地在手持系統(tǒng)中使用升壓D類音頻放大器，因?yàn)樗鼈兡軌驈牡蛪涸矗ㄈ鐔喂?jié)鋰離子電池）提供高性能音頻。例如，當(dāng)手機(jī)用作便攜式媒體播放器或免提電話時(shí)，AB類放大器不足以提供所需的清晰度和音量。改用D類放大器。然而，當(dāng)手機(jī)用作手機(jī)時(shí)，AB類放大器在保持功耗的同時(shí)提供出色的性能。在類似手機(jī)的應(yīng)用中保持功率，同時(shí)仍然允許在免提電話或媒體播放器應(yīng)用中發(fā)出大聲音，這使得將單個(gè)揚(yáng)聲器多路復(fù)用到多個(gè)音頻源具有吸引力。在此類應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)困難，因?yàn)閬?lái)自D類放大器的增強(qiáng)音頻信號(hào)通常會(huì)使音頻信號(hào)超出典型模擬開關(guān)的范圍。本應(yīng)用筆記討論了MAX14689的超擺幅功能如何使其無(wú)需額外電路即可切換此類信號(hào)。?

問題所在

升壓D類放大器可提供大聲音，而無(wú)需在PCB上占用較大空間。然而，當(dāng)將升壓放大器多路復(fù)用到揚(yáng)聲器時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題。根據(jù)設(shè)計(jì)，升壓D類輸出的音頻信號(hào)大于電源電壓。但是，常見的模擬開關(guān)僅限于其電源軌內(nèi)的信號(hào)。許多現(xiàn)代模擬開關(guān)增加了將信號(hào)傳遞到負(fù)電源以下的功能。這仍然給D類放大器的升壓信號(hào)帶來(lái)問題，因?yàn)楦哂谡娫吹男盘?hào)無(wú)法通過(guò)。D類放大器內(nèi)部的升壓電源通常不用于為外部器件供電。即使它有能力，電壓也僅在放大器打開時(shí)可用。這使得使用這種電源變得不切實(shí)際，因?yàn)楫?dāng)使用另一個(gè)放大器時(shí)，它不可用。因此，在揚(yáng)聲器多路復(fù)用應(yīng)用中，如果不包括額外的電路，就很難使用典型的模擬開關(guān)。有幾種方法可以解決這個(gè)問題，本應(yīng)用筆記總結(jié)了每種方法的權(quán)衡。

解決問題的常用方法

一種解決方案是增加提供給模擬開關(guān)的電源電壓。這使得模擬開關(guān)可以毫無(wú)困難地通過(guò)音頻信號(hào)。另一種方法是改變音頻信號(hào)電平，并將信號(hào)帶到開關(guān)的適當(dāng)范圍內(nèi)。最后，為了解決這個(gè)問題，工程師可以使用MAX14689雙刀雙擲（DPDT）模擬開關(guān)和超擺幅技術(shù)。該解決方案允許音頻信號(hào)不受干擾地通過(guò)，無(wú)需額外的外部電路。下面分析了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

提高電源電壓

在某些情況下，簡(jiǎn)單地利用來(lái)自升壓D類放大器的升壓電壓似乎是有利的。如上所述，這種解決方案會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新問題：當(dāng)另一個(gè)放大器正在使用時(shí)，升壓D類放大器關(guān)閉，升壓電壓不可用。然后，設(shè)計(jì)人員必須設(shè)計(jì)一種方法從另一個(gè)電源為模擬開關(guān)供電。這意味著系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)有額外的OR電路，根據(jù)所使用的放大器，從不同的電源為開關(guān)供電。這種解決方案所需的OR電路會(huì)消耗額外的空間和功耗。在空間和功耗是主要設(shè)計(jì)限制的系統(tǒng)中，這種權(quán)衡是不可取的。

雖然不常見，但解決該問題的另一種方法是使用電感或電荷泵方法向電路添加外部升壓電源。這解決了問題，但有明顯的缺點(diǎn)。首先，大多數(shù)現(xiàn)代應(yīng)用程序的空間受限特性使其成為解決問題的不可接受的方法。額外的升壓電源意味著增加笨重的外部元件（IC/二極管/電容器/FET/電感器）。這根本不行。此外，即使是高效的升壓轉(zhuǎn)換器也會(huì)引入功率損耗，這在采用電池供電的系統(tǒng)中是不可接受的。

將音頻電平調(diào)整到可接受的范圍

音頻應(yīng)用中使用的許多模擬開關(guān)都支持負(fù)電壓。因此，將信號(hào)的直流偏置向下移動(dòng)，直到信號(hào)落在開關(guān)可接受的電壓范圍內(nèi)是一種常用的解決方案。最常見的是使用 DC 阻斷方法。在這種方法中，工程師在模擬開關(guān)的輸入端放置隔直電容。這種方法的問題有三個(gè)方面。

首先，電容器為空間已經(jīng)緊張的應(yīng)用增加了元件。此外，增加的電容值需要相當(dāng)大，以便保持它們產(chǎn)生的高通濾波器的截止頻率盡可能低。由于此時(shí)的負(fù)載是揚(yáng)聲器，而不是放大器的高阻抗輸入，這進(jìn)一步增加了保持音頻質(zhì)量所需的電容器尺寸。

出現(xiàn)的第二個(gè)問題使第一個(gè)問題更加復(fù)雜。為隔直而添加的電容器由于其電壓系數(shù)而在低頻下會(huì)增加相位失真。電壓系數(shù)描述了電容值隨電容器兩端的電壓變化的程度。由于在低頻下電容器的阻抗變高，因此電容器兩端產(chǎn)生電壓，從而使電容降低到額定值以下。隨著頻率的增加，電容也會(huì)增加。電容的變化會(huì)在頻率比濾波器的-3dB點(diǎn)高十倍時(shí)引入失真。因此，為了將失真保持在可聽范圍之外，電容器應(yīng)足夠大，以產(chǎn)生低至2Hz的截止頻率。此外，所選電容器應(yīng)具有低電壓系數(shù)，這通常不包括采用小型封裝的電容器，例如陶瓷。最常見的是使用鉭或電解電容器來(lái)保持較低的電壓系數(shù)。

最后，等效串聯(lián)電阻（ESR）的非線性等因素會(huì)引入更多的失真。ESR中的非線性可能與頻率有關(guān)，在某些情況下，由于阻抗增加，會(huì)限制輸送到揚(yáng)聲器的功率。

直流阻斷方法解決了這個(gè)問題，但需要在成本、音頻質(zhì)量和空間限制方面進(jìn)行權(quán)衡。

美信解決方案

Maxim針對(duì)此問題的解決方案（圖1）是MAX14689超小尺寸、雙刀雙擲（DPDT）模擬開關(guān)，無(wú)需額外的外部電路即可通過(guò)升壓信號(hào)。MAX14689采用超擺幅技術(shù)，允許高達(dá)±5.5V的信號(hào)以超低失真通過(guò)，同時(shí)器件提供低至+1.6V的電壓。

圖1.典型音頻設(shè)置的解決方案。

鑒于MAX14689能夠使電壓高于和低于供電軌，因此無(wú)需隔直或升壓外部電源。事實(shí)上，使用MAX14689實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用揚(yáng)聲器，工程師無(wú)需額外的外部電路即可為音頻系統(tǒng)供電，從而節(jié)省大量空間。在沒有隔直電容的情況下傳遞信號(hào)的能力消除了隔直電容占用的空間和引入的失真。1.2mm x 1.2mm、9焊球晶圓級(jí)封裝（WLP）使MAX14689成為業(yè)界尺寸最小的DPDT模擬開關(guān)，可進(jìn)一步節(jié)省空間。

MAX14689采用“先開后合”時(shí)序，防止兩個(gè)放大器短路在一起，與其他常用方案相比，它既能保護(hù)系統(tǒng)的音頻質(zhì)量，又能減少所需的空間。當(dāng)采用低至 2.5V 的電源供電時(shí)，開關(guān)的低導(dǎo)通電阻（典型值為 0.25O）允許將電源高效傳輸?shù)綋P(yáng)聲器。MAX14689具有低THD+N特性，非常適合空間、成本和音頻質(zhì)量非常重要的音頻系統(tǒng)。

結(jié)論

升壓D類放大器在電池供電的音頻系統(tǒng)中很有吸引力，因?yàn)樗鼈兛梢源蟠筇岣咭纛l質(zhì)量。然而，由于這種放大器的功耗較高，因此使這種類型的系統(tǒng)始終處于打開狀態(tài)并不有利。由于多路復(fù)用單個(gè)揚(yáng)聲器以分離音頻系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢(shì)，因此典型的模擬開關(guān)無(wú)法在其電源軌上方和下方傳遞信號(hào)，從而產(chǎn)生了一個(gè)值得解決的問題。傳統(tǒng)方案會(huì)帶來(lái)許多不良影響，但Maxim解決方案提供了一種簡(jiǎn)單、節(jié)省空間且能保持音頻質(zhì)量的解決方案。

審核編輯：郭婷