電荷泵技術在G類放大器中的應用

1 引言

　　便攜音頻應用中存在一個共同問題，即揚聲器放大器的供電電壓有限。這些音頻系統(tǒng)通常采用鋰離子(Li+)電池供電，輸出額定值為3．7 V。雖然3．7 V電源足以保證系統(tǒng)的大多數(shù)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(shù)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2倍的電源電壓。

　　多數(shù)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(tǒng)(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(tǒng)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(tǒng)的動圈揚聲器，而MAX9788適用于陶瓷揚聲器。

2 創(chuàng)新的電荷泵

　　與標準的5 V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,僅需兩只外部電容,可采用0603微型表面貼封裝的電容。集成電荷泵產生幅值與電源電壓相等的負電壓,使供電電壓加倍,最終獲得加倍的輸出擺幅。

　　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(tǒng)放大器采用3．7 V供電時,可以向8 Ω負載提供700 mW的驅動功率，而MAX9730在同等條件下可以提供1．3 W輸出驅動功率。

3 獨特的G類技術

　　由于MAX9730和MAX9788用10 V放大器替代便攜設備中常見的5 V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便攜設備，但它不符合陶瓷揚聲器的驅動要求。設計挑戰(zhàn)非常明確——陶瓷揚聲器需要其他驅動技術。因此，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,區(qū)別在于G類放大器是多路供電電壓,而非一路固定電壓。隨著輸入信號幅度的變化,G類架構自動選擇合適電源，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,高電源用于輸出較高電平，低電源用于輸出低電平。

　　G類放大器MAX9730和MAX9788則以獨特的方式利用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5 V 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，G類放大器的輸出信號遠遠高于傳統(tǒng)放大器的信號。

　　MAX9730和MAX9788可以確保在兩電源之間切換不會產生音頻雜音。當輸出信號達到VCC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(xiàn)削頂，仍箝位于其正擺幅。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(xiàn)了嚴重的失真，但卻被嚴格控制，充分利用了該架構的優(yōu)勢。施加到負載上的實際輸出信號沒有失真。

4 結束語

　　將G類技術與負壓電荷泵相結合，MAX9730和MAX9788可為音頻設計所存在的共同問題提供了有效解決方案。大多數(shù)內部提供升壓的放大器都需要大尺寸電感，而MAX9730和MAX9788只需使用兩只小尺寸電容即可，有助于節(jié)省PCB空間和成本。MAX9730和MAX9788利用高效G類架構降低電流消耗，并改進現(xiàn)有設計。