用于MP3播放器塢站的D類、2.1聲道音頻放大器參考
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用于MP3播放器塢站的D類、2.1聲道音頻放大器參考設(shè)計(jì)
摘要：該參考設(shè)計(jì)介紹了D類音頻放大器MAX9736在立體聲塢站中的應(yīng)用。MAX9736的2.1聲道演示盒是一個(gè)完整的揚(yáng)聲器塢站，它使用了兩片MAX9736 IC，用于驅(qū)動(dòng)由兩個(gè)2英寸衛(wèi)星揚(yáng)聲器和一個(gè)5英寸重低音揚(yáng)聲器構(gòu)成的三聲道揚(yáng)聲器系統(tǒng)。該參考設(shè)計(jì)非常適合在便攜式音頻播放器中作為主音源。方案的整體尺寸非常小，而且具有有源均衡、電源監(jiān)控以及重低音揚(yáng)聲器的動(dòng)態(tài)均衡功能。
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- 完備的一體化設(shè)計(jì)
- 12V至20V直流電源供電
- 利用小音箱提供較高的SPL輸出
- 高效率的D類設(shè)計(jì)
- 有源EQ，包括動(dòng)態(tài)低音均衡
- 高性價(jià)比驅(qū)動(dòng)器提供出色的音質(zhì)
材料清單
| Designator | Qty | Description |
| C1 | 1 | 470μF ±20% 25V aluminum electrolytic capacitor Panasonic? EEU-FM1E471 |
| C2, C12, C310 | 3 | 0.1μF ±10% 50V X7R ceramic capacitor (0603) Murata? GRM188R71H104K TDK C1608X7R1H104K |
| C321 | 1 | 1μF (0603) |
| C16 | 1 | 10μF (1206) |
| C106, C109–111, C114, C206, C209–211, C214 | 10 | NS (0603) |
| C3–5 | 3 | 0.1μF ±10% 16V X7R ceramic capacitor (0603) Murata GRM188R71C104K TDK C1608X7R1C104K |
| C13 | 1 | 0.1μF (0603) |
| C316–317 | 2 | 0.1μF (0805) |
| C303 | 1 | 0.33μF (0603) |
| C302 | 1 | 0.47μF (0603) |
| C305, C307 | 2 | 100nF (0603) |
| C103–104, C203–204, C301 | 5 | 100pF (0603) |
| C121, C220–221, C120, C314–315 | 6 | 100pF (0603) |
| C117–119, C217–219 | 6 | 10nF (0603) |
| C107, C207 | 2 | 150pF (0603) |
| C306, C308 | 2 | 15nF (0603) |
| C6–10, C15, C313, C318–320 | 10 | 1μF ±10% 16V X7R ceramic capacitor (0603) Murata GRM188R71C105K TDK C1608X7R1C105K |
| C312, C14, C311 | 3 | 1μF (0603) |
| C216, C116 | 2 | 1μF (0805) |
| C100–101, C200–201 | 4 | 2.2μF (0805) |
| C304 | 1 | 2.2μF (0805) |
| C102, C108, C112, C115, C202, C215, C300 | 7 | 33pF (0603) |
| C208, C212 | 2 | 33pF (0603) |
| C322 | 1 | 33pF (0603) |
| C113, C213 | 2 | 4.7nF (0603) |
| C105, C205 | 2 | 68nF (0603) |
| C11, C309 | 2 | 220μF ±20% 35V aluminum electrolytic capacitor (10mm x 12.5mm) Panasonic EEUFM1V221 |
| J30 | 1 | 4-pin header HIROSE DF3A-4P |
| U7 | 1 | Opto-FET (DIP6-SMT) Fairchild? H11F1SM |
| L100–101, L200–201, L300–301 | 6 | Ferrite bead (1206) |
| FB1 | 1 | Ferrite bead (1206) |
| J3 | 1 | 6-pin header |
| J10, J20 | 2 | 2-pin header HIROSE DF3A-2P |
| J2 | 1 | RCA? dual jack PCB mount |
| D1 | 1 | LED red (0603) |
| D5 | 1 | LED blue (0603) |
| Q2 | 1 | Transistor NPN (SOT23) Fairchild MMBT3904 |
| X1–2 | 2 | Connector, screw mount |
| R7 | 1 | Potentiometer 100K SMT |
| R303 | 1 | Potentiometer 20K SMT |
| J1 | 1 | Power jack, right angle Switchcraft? 722RA |
| R1 | 1 | 10kΩ ±5% resistor (0805) |
| R110, R210 | 2 | NS resistor (0603) |
| R111, R211 | 2 | 10.5kΩ ±5% resistor (0603) |
| R100, R200 | 2 | 100Ω ±5% resistor (0603) |
| R10 | 1 | 100kΩ ±1% resistor (0603) |
| R106, R108, R206, R208 | 4 | 10kΩ ±5% resistor (0603) |
| R300–301 | 2 | 10kΩ ±5% resistor (0603) |
| R2–3 | 2 | 10kΩ ±1% resistor (0603) |
| R113, R213 | 2 | 11kΩ ±5% resistor (0603) |
| R309, R311–312, R314 | 4 | 11kΩ ±5% resistor (0603) |
| R306 | 1 | 12kΩ ±5% resistor (0603) |
| R114, R214 | 2 | 137kΩ ±5% resistor (0603) |
| R305 | 1 | 14.7kΩ ±5% resistor (0603) |
| R112, R212 | 2 | 150Ω ±5% resistor (0603) |
| R317 | 1 | 1kΩ ±5% resistor (0603) |
| R107, R109, R207, R209 | 4 | 1MΩ ±5% resistor (0603) |
| R8–9, R315–316 | 4 | 2.2kΩ ±5% resistor (0603) |
| R101–102, R201–202 | 4 | 20kΩ ±5% resistor (0603) |
| R5 | 1 | 220Ω ±5% resistor (0603) |
| R310, R313 | 2 | 24.3kΩ ±5% resistor (0603) |
| R302 | 1 | 2kΩ ±5% resistor (0603) |
| R308 | 1 | 3.24kΩ ±5% resistor (0603) |
| R307 | 1 | 3.3kΩ ±5% resistor (0603) |
| R115, R215 | 2 | 30.1kΩ ±5% resistor (0603) |
| R4 | 1 | 4.22kΩ ±1% resistor (0603) |
| R103–104, R203–204 | 4 | 40kΩ ±5% resistor (0603) |
| R304 | 1 | 7.15kΩ ±5% resistor (0603) |
| R105, R205 | 2 | 0Ω resistor (0603) |
| D6 | 1 | Diode, dual, common-cathode (SOT-23-3) Fairchild MMBD4148CC |
| D2–3 | 2 | Zener diode 4.3V, 20mA (SOT-23) Central CMPZ5229B |
| SPK1, SPK2 | 2 | 2in full-range loudspeaker Tymphany? 830970 |
| SPK3 | 1 | 5.25in subwoofer loudspeaker Tymphany 830945 |
| U1 | 1 | Maxim? MAX9736BETJ+ (7mm x 7mm, 32-pin TQFN) |
| U2 | 1 | Maxim MAX9736AETJ+ (7mm x 7mm, 32-pin TQFN) |
| U3–5 | 3 | Maxim MAX4234 (TSSOP-14) |
| U6 | 1 | Maxim MAX809_EUR-T (SOT-23) |
設(shè)計(jì)詳細(xì)說(shuō)明
該參考設(shè)計(jì)安裝在一個(gè)精心設(shè)計(jì)的盒子內(nèi)，包含了所有電子元器件和揚(yáng)聲器。整個(gè)系統(tǒng)只需要一個(gè)外部電源和信號(hào)源。兩個(gè)2英寸揚(yáng)聲器用于左、右聲道，一個(gè)5英寸揚(yáng)聲器用于重低音。一片MAX9736B工作在立體聲模式，用于驅(qū)動(dòng)左/右聲道；另一片MAX9736A工作在單聲道模式，用于驅(qū)動(dòng)重低音聲道。以下分兩部分詳細(xì)介紹該方案：電路部分和揚(yáng)聲器/機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。
電路說(shuō)明
該參考設(shè)計(jì)的電路分兩部分，左/右聲道和重低音聲道。每部分包括三級(jí)電路：輸入級(jí)、EQ級(jí)和功率級(jí)，如圖1所示。
圖1. MAX9736 D類音頻放大器電路框圖，設(shè)計(jì)包括輸入級(jí)、EQ級(jí)和功率級(jí)。
輸入級(jí)
左/右聲道和重低音聲道的輸入級(jí)相同。立體聲、對(duì)數(shù)抽頭電位器用作音量控制，用于調(diào)節(jié)前置放大器的信號(hào)。為避免地回路干擾，輸入級(jí)采用差分形式，RCA輸入連接器沒(méi)有直接連接到系統(tǒng)地。利用一個(gè)100Ω電阻降低共模電壓；U3-A和U3-D (如以下原理圖所示)提供2倍增益并將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端輸出。輸入級(jí)的輸出以VREF為參考，該電壓是功率放大器U2的參考電壓，利用U5-D進(jìn)行緩沖。EQ級(jí)
輸入級(jí)之后，左、右聲道信號(hào)進(jìn)入兩級(jí)參量EQ電路，電路分別位于U3-B (左聲道)和U3-C (右聲道)附近。每路參量EQ使用一個(gè)運(yùn)放回轉(zhuǎn)器模擬LC串聯(lián)諧振電路中的電感。串聯(lián)電路有兩個(gè)接入點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)衰減或放大，這些接入點(diǎn)通過(guò)兩個(gè)不同的電容實(shí)現(xiàn)。例如，C105和C106是左聲道的第一級(jí)參量EQ，是左聲道的提升和衰減節(jié)點(diǎn)。如果只使用C106 (沒(méi)有連接C105)，諧振電路與串聯(lián)電阻R105 (10kΩ)組成一個(gè)分壓器，對(duì)諧振頻率信號(hào)進(jìn)行衰減。相反，如果只使用C105，則降低反饋，使諧振頻率信號(hào)提升。如果兩個(gè)電容都不使用，則該部分電路禁用。諧振頻率f0由下式計(jì)算：
f0 = 1/(2 × π × √(L0 × C0))其中：
L0 = R108 × C107 × R107Q值為：
C0 = C105
Q0 = √(L0/(C0 × R02))通過(guò)加入第三級(jí)EQ電路可實(shí)現(xiàn)傾斜型濾波，只需要RC元件即可：一個(gè)電容(C113用于提升；C114用于衰減)和一個(gè)電阻(R111)。
作為立體聲D類放大器IC，MAX9736在輸入級(jí)還集成了兩個(gè)運(yùn)放，能夠用作通用濾波器，該參考設(shè)計(jì)中利用這些運(yùn)放為左/右聲道構(gòu)建2階高通濾波器。運(yùn)算放大器提供了反相輸入端和輸出端，可以搭建多反饋反相濾波器。C116/C216用于隔直流輸入，降低輸出失調(diào)。
功率級(jí)
該設(shè)計(jì)提供了三個(gè)通道的揚(yáng)聲器功率放大器。MAX9736B用于立體聲模式，驅(qū)動(dòng)左、右聲道揚(yáng)聲器，能夠?yàn)?Ω揚(yáng)聲器提供2 × 11W功率。MAX9736A配置為單聲道模式，用于第三個(gè)聲道，驅(qū)動(dòng)重低音放大器。在單聲道模式，MAX9736A的兩個(gè)D類放大器輸出并聯(lián)，可提供更大的輸出功率。單聲道重低音能夠?yàn)?Ω揚(yáng)聲器提供30W功率(VDD = 19V)。重低音聲道的輸入級(jí)與左/右聲道的輸入級(jí)相同。輸入級(jí)之后，左、右聲道信號(hào)通過(guò)U5-B疊加，提供單聲道重低音揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)。R303在疊加放大器設(shè)置重低音揚(yáng)聲器的增益。
為了將平坦的頻響特性擴(kuò)展到極低頻率，系統(tǒng)為重低音揚(yáng)聲器提供了6階濾波電路。該方案在開(kāi)孔揚(yáng)聲器4階高通頻響的基礎(chǔ)上增加了2階有源高通濾波器。U5-C為重低音揚(yáng)聲器提供同相Sallen-Key 2階高通濾波。
該系統(tǒng)需要高Q值，在40Hz頻點(diǎn)有13dB提升。為了避免揚(yáng)聲器和放大器過(guò)載，配置Sallen-Key濾波器實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)高通濾波；濾波器在放大器輸出達(dá)到最大值時(shí)會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整。輸入電阻R305可自動(dòng)降低(用光耦FET，U7)，從而使濾波器Q值降至0.5以下，即沒(méi)有提升。
重低音揚(yáng)聲器放大器U2的輸出峰值電壓控制光耦FET的輸入信號(hào)。D6和C16組成峰值檢測(cè)器，能夠快速檢測(cè)輸出峰值電壓。峰值檢測(cè)器的閾值可調(diào)節(jié)或固定，取決于是否安裝R7和R8/R9。控制電路工作時(shí)將打開(kāi)LED D5。
圖2. 重低音聲道動(dòng)態(tài)調(diào)整仿真結(jié)果。在重低音信號(hào)達(dá)到其門限后，高通濾波器的Q值減小，截止頻率增大。
MAX9736A內(nèi)部的兩個(gè)運(yùn)放配置成4階重低音低通濾波器，作為左/右聲道高通濾波器的后續(xù)濾波。
J1為電源輸入連接器，用于標(biāo)準(zhǔn)的筆記本電腦同軸插頭。典型的筆記本電腦電源的平均輸出電壓約為19V，適用于塢站系統(tǒng)供電。通過(guò)C1、C2濾波，電壓標(biāo)記為PVDD，接入電源后點(diǎn)亮D1藍(lán)燈。
采用簡(jiǎn)單的復(fù)位電路(U6)在上電、掉電時(shí)為放大器芯片提供一個(gè)靜音信號(hào)，以避免在輸入電路信號(hào)建立過(guò)程中產(chǎn)生瞬態(tài)噪聲。靜音控制門限通過(guò)R3和R4電阻分壓器設(shè)定在大約10V。
MAX9736采用受專利保護(hù)的無(wú)濾波調(diào)制技術(shù)，不需要外部大尺寸電感濾波器。輸出端只需簡(jiǎn)單的鐵氧體磁珠(L100和L301)。
揚(yáng)聲器和機(jī)殼
重低音揚(yáng)聲器采用Tymphany的5英寸直徑揚(yáng)聲器，型號(hào)為830945，標(biāo)稱阻抗為4Ω，諧振頻率為47.4Hz。左、右聲道采用2英寸揚(yáng)聲器，型號(hào)為Tymphany 830970，標(biāo)稱阻抗為4Ω，諧振頻率為147.5Hz。低至35Hz的f3設(shè)計(jì)用于語(yǔ)音系統(tǒng)，采用了6階濾波電路，包括一個(gè)2階高通有源濾波器。整個(gè)系統(tǒng)放置在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，包括三個(gè)揚(yáng)聲器、調(diào)節(jié)端口和電路PCB。重低音揚(yáng)聲器開(kāi)口向下安裝，可節(jié)省機(jī)箱尺寸，有助于提高效率。機(jī)箱體積大約為3.79l，調(diào)諧在54Hz。機(jī)箱外型尺寸近似為355mm x 180mm x 120mm。揚(yáng)聲器濾波均衡設(shè)計(jì)為250Hz的4階Linkwitz-Riley濾波器；衛(wèi)星揚(yáng)聲器均衡包括f = 500Hz、增益 = +6dB、Q = 0.5的參量EQ和f3 = 3.8kHz、增益為+5.8dB的傾斜型濾波器，圖3所示為系統(tǒng)頻響。
圖3. 整個(gè)系統(tǒng)的頻響特性仿真表明最大平坦相應(yīng)可以擴(kuò)展至40Hz
本文給出的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖源于原型設(shè)計(jì)，原型設(shè)計(jì)用1/4英寸丙烯塑料制成，用鉆孔螺絲和丙烯膠固定。消費(fèi)類產(chǎn)品可能會(huì)考慮使用性價(jià)比更高的材料，譬如木制材料、纖維板(MDF)、工程塑料(ABS)等。
電路原理圖
詳細(xì)電路圖(PDF, 80.4kB)
詳細(xì)電路圖(PDF, 84.4kB)
詳細(xì)電路圖(PDF, 92kB)
PCB布板
頂層絲印層詳細(xì)圖片(PDF, 277kB)
機(jī)械圖
詳細(xì)圖片(PDF, 72kB)
詳細(xì)圖片(PDF, 56kB)
詳細(xì)圖片(PDF, 52kB)
詳細(xì)圖片(PDF, 48kB)
系統(tǒng)照片
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