基于MAX9700的數(shù)字音頻功率放大器

1、基于max9700的數(shù)字音頻功率放大器 摘要：采用直接數(shù)字放大技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于max9700的數(shù)字音頻功率放大器，該系統(tǒng)與線性音頻放大器(如a類、b類和ab類)相比，在功效上有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)?？刂乒δ苡蒩t89s51實(shí)現(xiàn).測(cè)試結(jié)果表明: max9700可為8 負(fù)載提供1.2 w功率，效率高達(dá)90以上，性價(jià)比較高。引言隨著電子產(chǎn)品的數(shù)字化進(jìn)程不斷演進(jìn)，音響設(shè)備(尤其是其中的關(guān)鍵產(chǎn)品功率放大器)的數(shù)字化也提上了日程。目前市場(chǎng)上很多功放產(chǎn)品都打出了“數(shù)字”的旗號(hào)，但其中有很多只是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了一些數(shù)字化處理，嚴(yán)格意義上只能稱作數(shù)字化功放，真正的音頻信號(hào)還是模擬的.數(shù)字功放是指在信號(hào)的處理過程中采用的是數(shù)字

2、音頻信號(hào)，用開關(guān)的方式放大信號(hào)。數(shù)字功放最大的特點(diǎn)是效率高，對(duì)電源及散熱的要求大大降低，此外還有輸出功率大、頻響寬、體積小、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)。max9700單聲道d類數(shù)字音頻功率放大器具有ab類放大器的性能和d類放大器的效率，并可節(jié)省板上空間，大幅降低很多便攜式緊湊型應(yīng)用的成本，同時(shí)可延長(zhǎng)電池壽命，并且采用d類結(jié)構(gòu)時(shí)，效率高達(dá)90以上。一、設(shè)計(jì)構(gòu)想：利用hifi級(jí)功放芯片制作一款全數(shù)字音頻功率放大的hi-fi集成功放，它應(yīng)當(dāng)達(dá)到以下下幾點(diǎn)基本要求：1，   低失真度2，   低噪聲3，   高分離度4，   音量數(shù)字

3、調(diào)節(jié)5， 性價(jià)比高6， 效率高二、方案論證方案1：采用ad827做前置放大電路，cs5333作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，dppc2006作為數(shù)字音頻處理器，并兼有數(shù)字音量調(diào)節(jié)功能。后級(jí)pwm放大采用74hc541芯片組成的mos管h橋互補(bǔ)對(duì)稱放大電路和低通濾波器(lpf)，能夠達(dá)到低失真低噪聲級(jí)高分離度高效率的要求。方案2：采用lm358做前置放大電路，單片機(jī)atmega8l作為數(shù)字音頻處理器，并兼有數(shù)字音量調(diào)節(jié)功能。功率放大電路由6只常用的三極管組成同相驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字功放功能?；旧夏軌蜻_(dá)到低噪聲級(jí)高分離度的要求。方案3：采用opa2134做前置放大電路，max9700作為數(shù)字音頻處理器，并具有功率

4、放大功能，m62429做數(shù)字音量調(diào)節(jié)。并由at89c51控制左右聲道及音量等，能夠達(dá)到低失真低噪聲級(jí)高分離度的要求。方案選擇：方案1，ad827是目前功放前級(jí)中性能最好的；數(shù)字功放處理芯片dppc2006是具有我國(guó)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的hi-fi級(jí)全數(shù)字6通道音頻功放編碼處理芯片。該芯片具有6通道全數(shù)字(pcm)輸入和獨(dú)立脈寬編碼(pwm)輸出；每聲道音量可獨(dú)立調(diào)整，124級(jí)增減可調(diào)；352.8khz或384khz高速開關(guān)頻率；支持24bit多脈寬脈沖差值編碼、噪聲整形、平衡電橋等技術(shù)；6通道數(shù)據(jù)輸入，采樣率支持32khz768khz；內(nèi)置s/pdif接收器，采樣率支持44.1khz96khz;內(nèi)

5、置輸入數(shù)據(jù)組選擇電路;供電+3v+5.5v。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用cirrus公司推出的26bit，96khz立體聲音頻專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器cs5333。完整的后級(jí)pwm放大由mos管h橋互補(bǔ)對(duì)稱放大電路和低通濾波器(lpf)構(gòu)成，電路中用74hc541或天奧的db802芯片.選用不同電流的mosfet，即可得到80w300w的輸出功率，如圖1所示。圖1 dppc2006的數(shù)字音頻功率由于一塊ad827就近一百塊，dppc2006功能強(qiáng)大價(jià)格不菲，一般用于高端數(shù)字音響設(shè)備中，綜合考慮該方案雖然能夠達(dá)到所要求功能，但性價(jià)比低。方案2， lm358為單電源雙運(yùn)放，增益頻帶寬為1mhz，也可雙單源工作。單片機(jī)a

6、tmega8l內(nèi)部自帶的十位模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換即可，然后用atmega8l的ocr1a和ocr1b引腳產(chǎn)生占空可變的脈沖串，即pwm。pwm信號(hào)是以一個(gè)固定頻率為基礎(chǔ)的，為了產(chǎn)生不同的模擬電平，可以通過改變這個(gè)脈沖串的占空比實(shí)現(xiàn)。要輸出高的模擬電平，就增大占空比，反之減小。這樣，通過pwm就將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將pwm信號(hào)通過功放管進(jìn)進(jìn)一步放大，再通過低通濾波器就可以產(chǎn)生模擬電平了。功率放大電路由6只常用的三極管組成同相驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，從而進(jìn)一步降低了靜態(tài)功耗，提高了效率。該方案中是采用單片機(jī)atmega8l作為數(shù)字音頻處理電路，雖能有音頻信號(hào)輸出，但與專業(yè)的數(shù)字音頻處理芯片相比還有很多不足之

7、處，且程序編寫不易。方案3，opa2134音頻前置放大電路基本上采用官方推薦電路；maxim公司的d類數(shù)字音頻放大器max9700與線性音頻放大器(如a類、b類和ab類)相比，在功效上有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。對(duì)于線性放大器(如ab類)來(lái)說(shuō)，偏置元件和輸出晶體管的線性工作方式會(huì)損耗大量功率。而max9700的晶體管只是作為開關(guān)使用，主要用來(lái)控制流過負(fù)載的電流方向，所以，其輸出級(jí)的功耗極低。max9700單聲道d類數(shù)字音頻功率放大器具有ab類放大器的性能和d類放大器的效率，并可節(jié)省板上空間，大幅降低很多便攜式緊湊型應(yīng)用的成本，同時(shí)可延長(zhǎng)電池壽命。由于采用d類結(jié)構(gòu)。max9700可為8 負(fù)載提供1.2 w功率

8、，效率高達(dá)90以上；m62429音量控制是日本三菱公司的音量控制ic，音量調(diào)節(jié)范圍是0-83db，控制精度每步1db，并由單片機(jī)at89c51完成音量調(diào)節(jié)、顯示、聲道、靜音等控制功能。max9700內(nèi)部電路如圖2所示。max9700的關(guān)鍵特性如下：無(wú)濾波放大器，符合fcc輻射標(biāo)準(zhǔn)，符合100 mm電纜傳輸標(biāo)準(zhǔn)；具有獨(dú)特的擴(kuò)頻模式，與傳統(tǒng)方案相比，其輻射性能可改善5 db；可選外部sync輸入；簡(jiǎn)單的主從配置，適合立體聲操作；可達(dá)到94的效率；可為8 負(fù)載提供1.2 w功率；具有0.01低thd+n和較高的psrr (217hz時(shí)72 db)有集成的雜音抑制功能；靜態(tài)電流低(4ma)；低功耗關(guān)斷

9、模式(0.1a)；具有短路和過熱保護(hù)功能；采用熱效應(yīng)好、節(jié)省空間的封裝形式。圖2 max9700內(nèi)部電路在該方案中，綜合考慮該方案在能夠達(dá)到要求的前提下，各個(gè)元器件性價(jià)比偏高，因此選擇該方案。三、系統(tǒng)框圖基于題目的基本要求，可以采用系統(tǒng)框圖如圖3所示的方案。圖3 系統(tǒng)框圖四、電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算4.1 音頻前置放大電路及參數(shù)計(jì)算opa2134組成同向放大電路，音頻信號(hào)從opa2134同向輸人端輸入，放大增益由r9和r11的阻值大小決定，電壓放大倍數(shù)：av=l+r11r9。，電容換上bbe或膽電容，電阻均采用金屬膜電阻，opa反饋電阻并上一個(gè)小電容補(bǔ)償相位，對(duì)信號(hào)放大2倍左右；當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，同向

10、輸入端的電壓隨著音頻信號(hào)的變化而變化，經(jīng)過c3、r5和r9組成的交流負(fù)反饋電路，輸出電壓vout=vin*av。電路如圖4所示。圖4 前置放大電路4.2 數(shù)字音量調(diào)節(jié)電路及參數(shù)計(jì)算m62429是一個(gè)雙聲道電子音量控制器，它由雙線串行數(shù)據(jù)控制，內(nèi)置參考電路能組成電子音量控制器。其內(nèi)部電路如圖5所示。圖5 m62429內(nèi)部電路4.3 數(shù)字音頻處理電路max9700是采用全差分結(jié)構(gòu)和全橋輸出的新一代d類音頻功率放大器，可提供通常只有ab類放大器才具有的高性能，同時(shí)還具有完備的咔嗒聲與噼啪聲抑制電路。圖6是max9700的引腳排列圖。其工作原理是通過比較器監(jiān)視max9700的輸入，并將互補(bǔ)輸入電壓與鋸

11、齒波進(jìn)行比較。當(dāng)鋸齒波輸入幅度超出相應(yīng)的比較器輸入電壓時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)。兩個(gè)比較器在第二個(gè)比較器輸出跳變的上升沿后經(jīng)過一段固定時(shí)間后復(fù)位，從而在第二個(gè)比較器的輸出端產(chǎn)生一個(gè)脈寬最小的脈沖。這樣，當(dāng)輸入電壓增大或減小時(shí)，如果一個(gè)輸出脈沖持續(xù)時(shí)間增加，而另一個(gè)輸出脈沖持續(xù)時(shí)間保持不變，那么，揚(yáng)聲器兩端的凈電壓將發(fā)生變化。圖6 max9700引腳排列圖該電路的一大特點(diǎn)是傳統(tǒng)d類放大器的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是它需要外部lc濾波器。這不僅增加了方案總成本和電路板空間，也可能因?yàn)V波元件的非線性而引入額外失真。很多現(xiàn)代d類放大器采用了先進(jìn)的"免濾波器"調(diào)制方案，從而省掉或至少是最大限度降低了

12、外部濾波器要求。如圖7給出了max9700免濾波器調(diào)制器拓?fù)涞暮?jiǎn)化功能框圖。與傳統(tǒng)的pwm型btl放大器不同，每個(gè)半橋都有自己專用的比較器，從而可獨(dú)立控制每個(gè)輸出。調(diào)制器由差分音頻信號(hào)和高頻鋸齒波驅(qū)動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)比較器輸出均為低電平時(shí)，d類放大器的每個(gè)輸出均為高。與此同時(shí)，或非門的輸出變?yōu)楦唠娖?，但?huì)因?yàn)閞on和con組成的rc電路而產(chǎn)生一定延時(shí)。一旦或非門延時(shí)輸出超過特定門限，開關(guān)sw1和sw2即會(huì)閉合。這將使out+和out-變?yōu)榈停⒈３值较聜€(gè)采樣周期的開始。這種設(shè)計(jì)使得兩個(gè)輸出同時(shí)開通一段最短時(shí)間(ton(min)，這個(gè)時(shí)間由ron和con的值決定。 圖7 max9700免濾波器調(diào)制器拓?fù)?/p>

13、如圖8所示，輸入為零時(shí)，兩個(gè)輸出同相并具有ton(min)的脈沖寬度。隨著音頻輸入信號(hào)的增加或減小，其中一個(gè)比較器會(huì)在另一個(gè)之前先翻轉(zhuǎn)。這種工作特性外加最短時(shí)間導(dǎo)通電路的作用，將促使一個(gè)輸出改變其脈沖寬度，另一個(gè)輸出的脈沖寬度保持為ton(min) (圖8)。這意味著每個(gè)輸出的平均值都包含輸出音頻信號(hào)的半波整流結(jié)果。對(duì)兩路輸出的平均值進(jìn)行差值運(yùn)算，便可得到完整的輸出音頻波形。圖8 max9700免濾波器調(diào)制器拓?fù)涞妮斎牒洼敵霾ㄐ卧撾娐凡捎昧Ⅲw聲配置，通過兩個(gè)max9700構(gòu)成立體聲放大器的電路配置如圖9所示。其中jp3為主放大器，將其驅(qū)動(dòng)輸出端out-接從放大器jp4的同步輸入端可同步兩個(gè)max9700的開關(guān)頻率，保證兩個(gè)max9700在音頻范圍內(nèi)沒有差拍頻率產(chǎn)生。該放大器具有良好的thd+n特性，而且沒有串音干擾。圖9 立體聲放大器的電路4.4 單片機(jī)控制電路m62429的4腳（data）連至at89c52的p2.2，m62429的5腳（clock）連到at89c52的p2.1。由這兩個(gè)引腳（p2.1、p2.2）作為模擬串