Audio-Leistungsverstärker Klasse-AB-Eigenschaften für Klasse D

Verstärker-ICs für mehrkanalige Lautsprechersysteme
Verstärker-ICs für mehrkanalige Lautsprechersysteme

Die beiden neuen digitalen Audio-Verstärker-ICs MAX98357 und MAX98358 von Maxim ermöglichen dank Klasse D nicht nur einen hohen Wirkungsgrad, sondern auch einen kompakten Aufbau mehrkanaliger Verstärker.

Bis zu 3,2 W Leistung können die beiden digitalen Audio-Leistungsverstärker MAX98357 und MAX98358 von Maxim Integrated maximal an einen 4-Ω-Lautsprecher abgeben. Bei dieser Leistung arbeiten die Verstärker-ICs allerdings mit höherer Signalverzerrung von 10 % (THD+N - Total Harmonic Distortion + Noise). Für eine niedrigere Signalverzerrung muss die Ausgangsleistung reduziert werden. So geht der THD+N-Wert bei 2,5 W an 4 Ω bzw. 1,4 W an 8 Ω auf 1 % zurück und bei 1 W an 4 Ω wird 0,02 % erreicht. Als Minimum gibt Maxim einen THD+N-Wert von 0,013 % an, bei 0,5 W an 4 Ω. Eine Größenordnung, die im Bereich typischer Klasse-AB-Verstärker liegt. Die Klasse-D-Verstärker MAX98357 und MAX98358 von Maxim bieten jedoch einen Wirkungsgrad von 92 % - gemessen bei 1 W Ausgangsleistung an 8 Ω.

Unterschiedliche digitale Eingänge: PCM oder PDM

Beide Audio-Leistungsverstärker verarbeiten digitale Eingangssignale und können aus Stereo- bzw. Mehrkanal-Bitströmen wahlweise den rechten oder linken Kanal selektieren oder auch ein Monosignal (Summe) bilden.

MAX98357 mit PCM-Eingang:

Er kann PCM-Signale (Puls-Code-Modulation) am Eingang verarbeiten – und zwar ohne das ein sonst bei PCM übliches Master-Taktsignal benötigt wird. In der Version MAX98357A entsprechend der I2S-Schnittstelle (Inter-IC Sound), in Version MAX98357B mit linksbündiger Ausrichtung der Daten – 16, 24 oder 32 bit. Über die externe Beschaltung eines Anschlussen (GAIN_SLOT) lässt sich der Verstärkungsfaktor in 3-dB-Schritten von 3 dB bis auf 15 dB einstellen.

Als zusätzliche Betriebsart erlauben beide Versionen Zeitmutiplex-Signale (16 oder 32 bit) mit bis zu acht Kanälen zu empfangen, allerdings mit einer konstanten Verstärkung von 12 dB.

Unabhängig von der Betriebsart können am Eingang Datenformarte mit Abtastraten von 8 kHz bis 96 kHz gelesen werden.

MAX98358 mit PDM-Eingang:

Er wurde für deltamodulierte Eingangssignale (PDM - Pulsdichtemodulation) entwickelt und erlaubt ebenfalls den Verstärkungsfaktor über die externe Beschaltung eines Pins (GAIN) in 3-dB-Schritten zwischen 3 dB und 15 dB einzustellen. Als Taktfrequenz für das PDM-Signal können Frequenzen zwischen 1,84 MHz und 4,32 MHz sowie 5,28 MHz und 8,64 MHz genutzt werden.

Kompakte Verstärkerschaltungen - auch mit mehreren Kanälen

Eine möglichst kompakte Bauform des Verstärkers ist nicht nur dank der Konzeption als Klasse-D-Verstärker möglich, der dank hohem Wirkungsgrad nur wenig Verlustwärme erzeugt. Dazu tragen auch die kleinen IC-Gehäuse – z.B. das 1,345 × 1,345 mm2 messende WLP (Wafer Level Package) mit Lotflächen im 0,4-mm-Raster – und die reduzierte externe Beschaltung bei. Die Betriebsart der Leistungsstufe ermöglicht es, auf das Ausgangsfilter zu verzichten. Die Induktivität des Lautsprechers genügt – zusammen mit dem menschlichen Ohr – um das Audiosignal aus den digitalen Pulsfolgen zu integrieren.

Maxim nutzt zur Modulation des Digitalsignals, mit dem die Leistungsstufe bei 330 kHz angesteuert wird, zusätzlich Frequenzspreizung im Bereich von ±20 kHz, um elektromagnetische Störungen zu reduzieren, so dass die Vorgaben der EN55022B ohne Filter und ohne Abschirmung erfüllt werden können.

Beide Audio-Leistungsverstärker sind für den Betrieb an nur einer Versorgungsspannung im Bereich von 2,5 V bis 5,5 V ausgelegt. Eine Schutzschaltung schützt die Leistungsstufe vor Überlast. Wenn der Lautsprecherstrom über den Wert von 2,8 A steigt, wird der Ausgang für eine Zeitdauer von 100 µs abgeschaltet. Steigt nach dem anschließenden Einschalten der Strom erneut auf einen Wert über 2,8 A, dann folgt eine weitere Abschaltung und das Procedere wird periodisch wiederholt bis die Fehlerbedingung beseitigt wurde.

Mit den Audio-Leistungsverstärkern MAX98357 und MAX98358 adressiert Maxim Geräte die mehrkanalige Lautsprechersysteme und aktive Lautsprechersysteme oder Lautsprecher-Arrays benötigen. So erlaubt beispielsweise der MAX98357 einen einfachen Aufbau von aktiven Lautsprechersystemen mit bis zu acht Kanälen – wobei alle acht Audio-Signale über eine gemeinsame Datenleitung übertragen werden und die acht Verstärker-ICs nur parallel an die Leitungen für die Takt-, Daten- und Steuersignale angeschlossen werden müssen.

Für beide Audio-Leistungsverstärker-ICs bietet Maxim auch Entwicklungsmodule an.