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1、基于MAX9700的数字音频功率放大器 摘要：采用直接数字放大技术，设计了基于MAX9700的数字音频功率放大器，该系统与线性音频放大器(如A类、B类和AB类)相比，在功效上有相当的优势。控制功能由AT89S51实现.测试结果表明: MAX9700可为8 负载提供1.2 W功率，效率高达90以上，性价比较高。引言随着电子产品的数字化进程不断演进，音响设备(尤其是其中的关键产品功率放大器)的数字化也提上了日程。目前市场上很多功放产品都打出了“数字”的旗号，但其中有很多只是对产品进行了一些数字化处理，严格意义上只能称作数字化功放，真正的音频信号还是模拟的.数字功放是指在信号的处理过程中采用的是数字
2、音频信号，用开关的方式放大信号。数字功放最大的特点是效率高，对电源及散热的要求大大降低，此外还有输出功率大、频响宽、体积小、信噪比高等优点。MAX9700单声道D类数字音频功率放大器具有AB类放大器的性能和D类放大器的效率，并可节省板上空间，大幅降低很多便携式紧凑型应用的成本，同时可延长电池寿命，并且采用D类结构时，效率高达90以上。一、设计构想：利用HiFi级功放芯片制作一款全数字音频功率放大的Hi-Fi集成功放，它应当达到以下下几点基本要求：1， 低失真度2， 低噪声3， 高分离度4， 音量数字调节5， 性价比高6， 效率高二、方案论证方案1：采用ad827做前置放大电路，CS5333作为
3、模数转换电路，DPPC2006作为数字音频处理器，并兼有数字音量调节功能。后级PWM放大采用74HC541芯片组成的MOS管H桥互补对称放大电路和低通滤波器(LPF)，能够达到低失真低噪声级高分离度高效率的要求。方案2：采用LM358做前置放大电路，单片机Atmega8L作为数字音频处理器，并兼有数字音量调节功能。功率放大电路由6只常用的三极管组成同相驱动方式实现数字功放功能。基本上能够达到低噪声级高分离度的要求。方案3：采用opa2134做前置放大电路，MAX9700作为数字音频处理器，并具有功率放大功能，M62429做数字音量调节。并由AT89C51控制左右声道及音量等，能够达到低失真低噪
4、声级高分离度的要求。方案选择：方案1，ad827是目前功放前级中性能最好的；数字功放处理芯片DPPC2006是具有我国完全自主知识产权的Hi-Fi级全数字6通道音频功放编码处理芯片。该芯片具有6通道全数字(PCM)输入和独立脉宽编码(PWM)输出；每声道音量可独立调整，124级增减可调；352.8kHz或384kHz高速开关频率；支持24bit多脉宽脉冲差值编码、噪声整形、平衡电桥等技术；6通道数据输入，采样率支持32kHz768kHz；内置S/PDIF接收器，采样率支持44.1kHz96kHz;内置输入数据组选择电路;供电+3V+5.5V。模数转换电路采用CIRRUS公司推出的26bit，9
5、6kHz立体声音频专用模数转换器CS5333。完整的后级PWM放大由MOS管H桥互补对称放大电路和低通滤波器(LPF)构成，电路中用74HC541或天奥的DB802芯片.选用不同电流的MOSFET，即可得到80W300W的输出功率，如图1所示。图1 DPPC2006的数字音频功率由于一块AD827就近一百块，DPPC2006功能强大价格不菲，一般用于高端数字音响设备中，综合考虑该方案虽然能够达到所要求功能，但性价比低。方案2， LM358为单电源双运放，增益频带宽为1MHz，也可双单源工作。单片机Atmega8L内部自带的十位模数转换器转换即可，然后用Atmega8L的OCR1A和OCR1B引
6、脚产生占空可变的脉冲串，即PWM。PWM信号是以一个固定频率为基础的，为了产生不同的模拟电平，可以通过改变这个脉冲串的占空比实现。要输出高的模拟电平，就增大占空比，反之减小。这样，通过PWM就将模拟信号转换为数字信号，将PWM信号通过功放管进进一步放大，再通过低通滤波器就可以产生模拟电平了。功率放大电路由6只常用的三极管组成同相驱动方式实现，从而进一步降低了静态功耗，提高了效率。该方案中是采用单片机Atmega8L作为数字音频处理电路，虽能有音频信号输出，但与专业的数字音频处理芯片相比还有很多不足之处，且程序编写不易。方案3，OPA2134音频前置放大电路基本上采用官方推荐电路；MAXIM公司
7、的D类数字音频放大器MAX9700与线性音频放大器(如A类、B类和AB类)相比，在功效上有相当的优势。对于线性放大器(如AB类)来说，偏置元件和输出晶体管的线性工作方式会损耗大量功率。而MAX9700的晶体管只是作为开关使用，主要用来控制流过负载的电流方向，所以，其输出级的功耗极低。MAX9700单声道D类数字音频功率放大器具有AB类放大器的性能和D类放大器的效率，并可节省板上空间，大幅降低很多便携式紧凑型应用的成本，同时可延长电池寿命。由于采用D类结构。MAX9700可为8 负载提供1.2 W功率，效率高达90以上；M62429音量控制是日本三菱公司的音量控制IC，音量调节范围是0-83dB
8、，控制精度每步1dB，并由单片机AT89C51完成音量调节、显示、声道、静音等控制功能。MAX9700内部电路如图2所示。MAX9700的关键特性如下：无滤波放大器，符合FCC辐射标准，符合100 mm电缆传输标准；具有独特的扩频模式，与传统方案相比，其辐射性能可改善5 dB；可选外部SYNC输入；简单的主从配置，适合立体声操作；可达到94的效率；可为8 负载提供1.2 W功率；具有0.01低THD+N和较高的PSRR (217Hz时72 dB)有集成的杂音抑制功能；静态电流低(4mA)；低功耗关断模式(0.1A)；具有短路和过热保护功能；采用热效应好、节省空间的封装形式。图2 MAX9700
9、内部电路在该方案中，综合考虑该方案在能够达到要求的前提下，各个元器件性价比偏高，因此选择该方案。三、系统框图基于题目的基本要求，可以采用系统框图如图3所示的方案。图3 系统框图四、电路设计及参数计算4.1 音频前置放大电路及参数计算OPA2134组成同向放大电路，音频信号从OPA2134同向输人端输入，放大增益由R9和R11的阻值大小决定，电压放大倍数：Av=l+R11R9。，电容换上BBE或胆电容，电阻均采用金属膜电阻，OPA反馈电阻并上一个小电容补偿相位，对信号放大2倍左右；当有信号输入时，同向输入端的电压随着音频信号的变化而变化，经过C3、R5和R9组成的交流负反馈电路，输出电压Vout
10、=Vin*Av。电路如图4所示。图4 前置放大电路4.2 数字音量调节电路及参数计算M62429是一个双声道电子音量控制器，它由双线串行数据控制，内置参考电路能组成电子音量控制器。其内部电路如图5所示。图5 M62429内部电路4.3 数字音频处理电路MAX9700是采用全差分结构和全桥输出的新一代D类音频功率放大器，可提供通常只有AB类放大器才具有的高性能，同时还具有完备的咔嗒声与噼啪声抑制电路。图6是MAX9700的引脚排列图。其工作原理是通过比较器监视MAX9700的输入，并将互补输入电压与锯齿波进行比较。当锯齿波输入幅度超出相应的比较器输入电压时，比较器输出翻转。两个比较器在第二个比较
11、器输出跳变的上升沿后经过一段固定时间后复位，从而在第二个比较器的输出端产生一个脉宽最小的脉冲。这样，当输入电压增大或减小时，如果一个输出脉冲持续时间增加，而另一个输出脉冲持续时间保持不变，那么，扬声器两端的净电压将发生变化。图6 MAX9700引脚排列图该电路的一大特点是传统D类放大器的一个主要缺点就是它需要外部LC滤波器。这不仅增加了方案总成本和电路板空间，也可能因滤波元件的非线性而引入额外失真。很多现代D类放大器采用了先进的免滤波器调制方案，从而省掉或至少是最大限度降低了外部滤波器要求。如图7给出了MAX9700免滤波器调制器拓扑的简化功能框图。与传统的PWM型BTL放大器不同，每个半桥都
12、有自己专用的比较器，从而可独立控制每个输出。调制器由差分音频信号和高频锯齿波驱动。当两个比较器输出均为低电平时，D类放大器的每个输出均为高。与此同时，或非门的输出变为高电平，但会因为RON和CON组成的RC电路而产生一定延时。一旦或非门延时输出超过特定门限，开关SW1和SW2即会闭合。这将使OUT+和OUT-变为低，并保持到下个采样周期的开始。这种设计使得两个输出同时开通一段最短时间(tON(MIN)，这个时间由RON和CON的值决定。 图7 MAX9700免滤波器调制器拓扑如图8所示，输入为零时，两个输出同相并具有tON(MIN)的脉冲宽度。随着音频输入信号的增加或减小，其中一个比较器会在另
13、一个之前先翻转。这种工作特性外加最短时间导通电路的作用，将促使一个输出改变其脉冲宽度，另一个输出的脉冲宽度保持为tON(MIN) (图8)。这意味着每个输出的平均值都包含输出音频信号的半波整流结果。对两路输出的平均值进行差值运算，便可得到完整的输出音频波形。图8 MAX9700免滤波器调制器拓扑的输入和输出波形该电路采用立体声配置，通过两个MAX9700构成立体声放大器的电路配置如图9所示。其中JP3为主放大器，将其驱动输出端OUT-接从放大器JP4的同步输入端可同步两个MAX9700的开关频率，保证两个MAX9700在音频范围内没有差拍频率产生。该放大器具有良好的THD+N特性，而且没有串音
14、干扰。图9 立体声放大器的电路4.4 单片机控制电路M62429的4脚（DATA）连至AT89C52的P2.2，M62429的5脚（CLOCK）连到AT89C52的P2.1。由这两个引脚（P2.1、P2.2）作为模拟串口与M62429通信，控制音量的数据便由这个模拟串口发出。音频信号从LH1输入，其中L通道信号经过C1耦合到M62429 的1脚，被控制之后从2脚输出，再经C2耦合到LH2输出到后级进行放大。R通道信号经C4耦合到M62429的8脚，被控制后从7脚输出。经C3耦合至LH2输出到后级进行放大。在LH1处输入合适的音源，从LH2处就可以监听音量控制的情况。SW1为音量增加按钮。SW2为音量减小按钮，SW3为复位按钮。如图5 所示