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
2、是指在信号的处理过程中采用的是数字音频信号，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、
3、方案论证方案 1：采用 ad827 做前置放大电路，CS5333 作为模数转换电路，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
4、，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
5、/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，96kHz 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
6、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
7、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
8、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，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 d
9、B；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 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。音频输入o p a 2 1 3 4 前置放大电路M 6 2 4 2 9 数字音量
10、调节M A X 9 7 0 0 数字音频 功率放大 器A T 8 9 C 5 1 控制键盘电路 显示电路图 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=Vin*Av。电路如图
11、4 所示。12348U1AOPA2134R1168kR933kC35C1220R322kR14.7k56748U1BOPA2134R1268kR1033kC45C2220R622kR24.7k+15v-15vC51uFC81uF入入入入入入入入入入入入入入入图 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
12、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
13、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
14、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(t ON(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
15、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，而且没有串音干扰。1 102 93 84 75 6JP3MAX97001 102 93 84 75 6JP4MAX9700C61uFR522kLS1YSQR822kC91uFLS2YSQ+5vC71uF+5vC101uF入入入入入入入入入入图 9
16、 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
