探索MAX9728A/MAX9728B：高性能立體聲耳機(jī)放大器的設(shè)計(jì)秘訣

在電子設(shè)備的音頻處理領(lǐng)域，耳機(jī)放大器是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)音頻輸出的關(guān)鍵組件。近期，我深入研究了Maxim公司的MAX9728A/MAX9728B立體聲耳機(jī)放大器，發(fā)現(xiàn)它在節(jié)省空間、降低成本以及提高音頻性能方面表現(xiàn)出色，下面就和大家分享一下我的研究心得。

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產(chǎn)品概述

MAX9728A/MAX9728B專為顯示、筆記本應(yīng)用或?qū)﹄娐钒蹇臻g要求苛刻的便攜式設(shè)備而設(shè)計(jì)。它們采用獨(dú)特的DirectDrive?架構(gòu)，能夠從單電源產(chǎn)生接地參考輸出，無(wú)需使用大型直流阻隔電容，從而節(jié)省了成本、電路板空間和組件高度。其中，MAX9728A提供外部可調(diào)增益，而MAX9728B則具有內(nèi)部預(yù)設(shè)的 -1.5V/V 增益。這兩款放大器每通道可向 32Ω 負(fù)載提供高達(dá) 60mW 的功率，總諧波失真加噪聲（THD+N）低至 0.02%。在 1kHz 時(shí)，電源抑制比（PSRR）高達(dá) 80dB，使其能夠在嘈雜的數(shù)字電源下工作，而無(wú)需額外的線性穩(wěn)壓器。此外，綜合的咔嗒聲和爆裂聲抑制電路可抑制啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)的可聽(tīng)咔嗒聲和爆裂聲。

產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

無(wú)需大型直流阻隔電容

傳統(tǒng)的單電源耳機(jī)放大器為了實(shí)現(xiàn)最大動(dòng)態(tài)范圍，輸出通常會(huì)偏置在一個(gè)標(biāo)稱直流電壓（通常為電源電壓的一半），這就需要大型耦合電容來(lái)阻隔直流偏置，否則會(huì)導(dǎo)致不必要的功率損耗，甚至可能損壞耳機(jī)和放大器。而MAX9728A/MAX9728B采用DirectDrive架構(gòu)，通過(guò)電荷泵產(chǎn)生內(nèi)部負(fù)電源電壓，使輸出能夠偏置在信號(hào)地（SGND），無(wú)需大型直流阻隔電容，僅需兩個(gè)小型陶瓷電容，節(jié)省了電路板空間，降低了成本，還改善了頻率響應(yīng)。

低功耗關(guān)斷模式

MAX9728A/MAX9728B具有低于 0.1μA 的低功耗關(guān)斷模式，可降低靜態(tài)電流消耗，延長(zhǎng)便攜式應(yīng)用的電池壽命。只需將 SHDN 引腳置低，即可禁用放大器和電荷泵。在關(guān)斷模式下，放大器輸出阻抗設(shè)置為 14kΩ||RF（對(duì)于 MAX9728B，RF 為 30kΩ）。當(dāng) SHDN 引腳置高時(shí)，放大器和電荷泵將重新啟用。

高 PSRR 消除 LDO 需求

在 1kHz 時(shí)高達(dá) 80dB 的 PSRR，使得這兩款放大器能夠在嘈雜的數(shù)字電源下穩(wěn)定工作，無(wú)需額外的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)。

綜合的咔嗒聲和爆裂聲抑制

傳統(tǒng)單電源音頻放大器中的輸出耦合電容是產(chǎn)生可聽(tīng)咔嗒聲和爆裂聲的主要原因。而MAX9728A/MAX9728B無(wú)需輸出耦合電容，從根本上避免了這個(gè)問(wèn)題。此外，它們還具備廣泛的咔嗒聲和爆裂聲抑制功能，可消除設(shè)備內(nèi)部的任何可聽(tīng)瞬態(tài)源。

關(guān)鍵參數(shù)解析

電源電壓范圍

MAX9728A/MAX9728B的電源電壓范圍為 4.5V 至 5.5V，能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境。

靜態(tài)電流

靜態(tài)電流僅為 3.5mA，在保證性能的同時(shí)，降低了功耗。

關(guān)斷電流

關(guān)斷電流低于 0.1μA，有效延長(zhǎng)了電池壽命。

輸出功率

在 32Ω 負(fù)載下，THD+N 為 1% 時(shí)，每通道可提供高達(dá) 60mW 的輸出功率，能夠滿足大多數(shù)耳機(jī)的驅(qū)動(dòng)需求。

電壓增益

MAX9728B 的增益為內(nèi)部預(yù)設(shè)的 -1.5V/V，而 MAX9728A 的增益可外部調(diào)節(jié)，為設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

功率耗散

線性功率放大器在正常工作條件下會(huì)消耗大量功率。MAX9728A/MAX9728B的功率耗散主要來(lái)自電荷泵和兩個(gè)輸出放大器。如果特定應(yīng)用的功率耗散超過(guò)了特定封裝的最大允許值，可以通過(guò)降低 VDD、增加負(fù)載阻抗、降低環(huán)境溫度或添加散熱片等方式來(lái)解決。同時(shí)，大尺寸的輸出、電源和接地走線可以降低熱阻（θJA），使更多的熱量從封裝傳遞到周圍空氣中。

輸出動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是系統(tǒng)噪聲底限與 1% THD+N 時(shí)輸出電平之間的差值。在設(shè)置最大輸出增益之前，需要先確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，以避免輸出信號(hào)超出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍而導(dǎo)致削波。

最大輸出擺幅

內(nèi)部器件結(jié)構(gòu)限制了 MAX9728A/MAX9728B 的最大電壓擺幅。輸出峰值電壓不得超過(guò)相反電源電壓 9V。例如，當(dāng) VDD = 5V 時(shí)，電荷泵設(shè)置 PVSS = -5V，因此輸出峰值擺幅必須小于 ±4V，以防止超過(guò)絕對(duì)最大額定值。

組件選擇

輸入耦合電容

輸入電容（CIN）與輸入電阻（RIN）共同構(gòu)成高通濾波器，用于去除輸入信號(hào)中的直流偏置。應(yīng)選擇電容值，使 -3dB 點(diǎn)遠(yuǎn)低于感興趣的最低頻率，以避免影響設(shè)備的低頻響應(yīng)。建議使用具有低電壓系數(shù)的電介質(zhì)電容，如鉭電容或鋁電解電容，以減少低頻失真。

電荷泵電容選擇

為了獲得最佳性能，應(yīng)使用具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）的陶瓷電容。對(duì)于擴(kuò)展溫度范圍的應(yīng)用，建議選擇具有 X7R 電介質(zhì)的電容。

飛跨電容（C1）

飛跨電容的值會(huì)影響電荷泵的負(fù)載調(diào)節(jié)和輸出電阻。過(guò)小的 C1 值會(huì)降低設(shè)備提供足夠電流驅(qū)動(dòng)的能力，導(dǎo)致輸出電壓下降。適當(dāng)增加 C1 的值可以改善負(fù)載調(diào)節(jié)并降低電荷泵的輸出電阻，但超過(guò) 1μF 后，開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻以及 C1 和 C2 的 ESR 將起主導(dǎo)作用。

保持電容（C2）

保持電容的值和 ESR 直接影響 PVSS 處的紋波。增加 C2 的值可以降低輸出紋波，降低 C2 的 ESR 可以同時(shí)降低紋波和輸出電阻。對(duì)于最大輸出功率較低的系統(tǒng)，可以使用較低電容值的保持電容。

電源旁路電容（C3）

電源旁路電容用于降低電源的輸出阻抗，減少 MAX9728A/MAX9728B 電荷泵開(kāi)關(guān)瞬變的影響。應(yīng)將 C3 與 VDD 旁路，并將其放置在靠近 VDD 和 PGND 引腳的位置。

放大器增益設(shè)置

MAX9728B 的放大器增益內(nèi)部設(shè)置為 -1.5V/V，所有增益設(shè)置電阻均集成在設(shè)備內(nèi)部，減少了外部組件數(shù)量。而 MAX9728A 的放大器增益可通過(guò)外部電阻設(shè)置，公式為 AV = -RF / RIN（V/V）。建議選擇幾十 kΩ 范圍內(nèi)的反饋電阻值，以避免過(guò)大的功率耗散和不切實(shí)際的小 RIN 值。同時(shí)，還需要考慮輸入設(shè)備的源電阻，以確保整體閉環(huán)增益符合設(shè)計(jì)要求。

作為線路驅(qū)動(dòng)器和濾波器的應(yīng)用

MAX9728A 可以用作音頻線路驅(qū)動(dòng)器，能夠在單 5V 電源下向 10kΩ 負(fù)載提供 2VRMS 的輸出。當(dāng)用作線路驅(qū)動(dòng)器為立體聲設(shè)備提供輸出時(shí)，通常需要消除數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）輸出產(chǎn)生的高頻量化噪聲，以避免影響負(fù)載設(shè)備的輸入級(jí)或產(chǎn)生過(guò)多的電磁干擾（EMI）。為此，MAX9728A 可以配置為線路驅(qū)動(dòng)器和有源低通濾波器，以抑制高頻噪聲并提供標(biāo)準(zhǔn)的 2VRMS 音頻輸出電平。

布局和接地

正確的布局和接地對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳性能至關(guān)重要。應(yīng)在印刷電路板上的單點(diǎn)將 PGND 和 SGND 連接在一起，將 PVSS 連接到 SVSS 并使用 1μF 電容旁路。將電源旁路電容和電荷泵保持電容放置在盡可能靠近 MAX9728 的位置。將 PGND 和所有攜帶開(kāi)關(guān)瞬變的走線遠(yuǎn)離 SGND 和音頻信號(hào)路徑。對(duì)于 12 引腳 Thin QFN 封裝，應(yīng)確保暴露焊盤與 PGND、SGND 和 VDD 電氣隔離，僅在電路板布局需要時(shí)將其連接到 SVSS。

總結(jié)

MAX9728A/MAX9728B立體聲耳機(jī)放大器憑借其獨(dú)特的DirectDrive架構(gòu)、低功耗、高性能以及豐富的保護(hù)功能，為音頻設(shè)計(jì)工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，合理選擇組件、設(shè)置增益，并注意布局和接地等細(xì)節(jié)，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。希望以上分享能對(duì)大家在音頻放大器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中有所幫助。大家在使用過(guò)程中遇到過(guò)什么問(wèn)題或者有什么獨(dú)特的設(shè)計(jì)思路，歡迎在評(píng)論區(qū)留言交流！