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利用G類放大器和電荷泵技術在增強型放大器設計中以最少元件獲得最高效率

文章來源：永阜康科技更新時間：2018/8/18 9:56:00

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摘要：Maxim采用創新G類技術和基于電荷泵的架構，推出了增強型放大器。這些放大器設計可理想用于要求高壓輸出的便攜應用，而不會犧牲效率或PCB空間。本應用筆記說明在揚聲器功率驅動電路中使用電荷泵和G類技術的優勢。文中以MAX9730和MAX9788揚聲器放大器作為設計實例。

概述

便攜音頻應用中存在一個共同的問題，即揚聲器放大器的供電電壓有限。這些音頻系統通常采用鋰離子(Li+)電池供電，輸出額定值為3.7V。雖然3.7V電源足以保證系統的大多數元件正常工作，但是，為了提供令人滿意的聲壓，揚聲器放大器需要更高的供電電壓。因此，大多數揚聲器放大器的功率級都采用橋接負載配置，以便在揚聲器上產生兩倍的電源電壓。

多數情況下使揚聲器電源電壓加倍就足以滿足要求，但有些應用需要更大的輸出功率。例如：壓電揚聲器(需要較高的電壓驅動)或需要較高聲壓的系統(例如GPS設備)。針對這些音頻應用的需求，唯一的解決方案是提升電源電壓，通常需要一個單獨的DC-DC升壓轉換器，從而增加系統的成本和復雜度。

G類放大器MAX9730和MAX9788利用電荷泵提升電源電壓，以解決電源電壓問題。MAX9730適用傳統的動圈揚聲器，而MAX9788適用于陶瓷揚聲器。

創新的電荷泵

與標準的5V放大器相比，MAX9730和MAX9788使用電荷泵使輸出電平加倍。電荷泵完全集成在放大器內部，僅需兩個外部電容，可以使用0603微型表面貼裝電容。集成電荷泵產生幅度與電源電壓相等的負電壓，使供電電壓加倍，最終得到加倍的輸出擺幅。

與DC-DC升壓轉換器不同，電荷泵具有較大的輸出阻抗，帶負載時會導致負電源跌落。MAX9730和MAX9788的設計能夠確保電荷泵的輸出阻抗足夠低，以提供足夠的輸出功率。傳統放大器采用3.7V供電時，可以向8Ω負載提供700mW的驅動，MAX9730在同等條件下可以提供1.3W輸出驅動。

獨特的G類技術

由于MAX9730和MAX9788用10V放大器替代手持設備中常見的5V放大器，保持高效率就成為延長電池壽命的關鍵。雖然D類技術具有高效率并常用于手持設備，但它不符合陶瓷揚聲器的驅動要求。設計挑戰非常明確—陶瓷揚聲器需要其它驅動技術。G類放大器，一種并不知名的放大器技術，由于其完美的適應性被推向市場。

G類放大器的工作原理類似于AB類放大器，只是多路供電電壓，而非一路固定電壓。隨著輸入信號幅度的變化，G類架構可以自動選擇合適的電源，從而使輸出晶體管的壓降最低，大大提高效率。G類放大器通常由兩路正電源供電，較高的電源用于輸出較高電平，較低的電源用于輸出較低電平。

G類放大器MAX9730和MAX9788則以獨特的方式利用了G類技術，它們由電荷泵產生負壓，而非高、低正電源。當放大器產生較小的輸出信號時，放大器由電池電壓和地作為供電電源。這種模式下，器件的工作方式與常見的5V AB類放大器(圖1a)類似。當輸出信號超出電源電壓時，放大器選擇電池電壓和負電荷泵輸出供電(圖1b)。由此，放大器可以輸出遠遠高于傳統放大器的信號。

圖1a和1b. 工作在較低電壓(a)和較高電壓(b)的MAX9788 G類輸出級。

MAX9730和MAX9788可以確保在兩個電源之間切換不會產生音頻雜音。當輸出信號達到V_CC和GND供電所允許的極限時，負電源被自動連接至輸出級。這樣，輸出信號不會在負擺幅側出現削頂，但仍會鉗位其正擺幅。為了校正這一點，放大器給負極性輸出增加額外的校正信號，如圖2所示。分別觀察正、負輸出時，正半周波形被明顯削頂，而負半周存在明顯失真。盡管這些信號出現了嚴重的失真，但卻被嚴格控制，充分利用了該架構的優勢。施加到負載上的實際輸出信號沒有失真。

圖2. MAX9788產生的G類輸出波形。

結論

將G類技術與負壓電荷泵相結合，MAX9730和MAX9788可以為音頻設計所面臨的公共問題提供有效的解決方案。大多數內部提供升壓的放大器需要大尺寸電感，而MAX9730和MAX9788只需使用兩個小尺寸電容，有助于節省PCB空間和成本。MAX9730和MAX9788利用高效G類結構降低電流消耗，改進現有的設計。

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