用于MP3播放器塢站的D類、2.1聲道音頻放大器參考設計

摘要：該參考設計介紹了D類音頻放大器MAX9736在立體聲塢站中的應用。MAX9736的2.1聲道演示盒是一個完整的揚聲器塢站，它使用了兩片MAX9736 IC，用于驅動由兩個2英寸衛星揚聲器和一個5英寸重低音揚聲器構成的三聲道揚聲器系統。該參考設計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、電源監控以及重低音揚聲器的動態均衡功能。

主要設計特性

• 完備的一體化設計
• 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類設計
• 有源EQ，包括動態低音均衡
• 高性價比驅動器提供出色的音質

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)

設計詳細說明

該參考設計安裝在一個精心設計的盒子內，包含了所有電子元器件和揚聲器。整個系統只需要一個外部電源和信號源。

兩個2英寸揚聲器用于左、右聲道，一個5英寸揚聲器用于重低音。一片MAX9736B工作在立體聲模式，用于驅動左/右聲道；另一片MAX9736A工作在單聲道模式，用于驅動重低音聲道。以下分兩部分詳細介紹該方案：電路部分和揚聲器/機械結構部分。

電路說明

該參考設計的電路分兩部分，左/右聲道和重低音聲道。每部分包括三級電路：輸入級、EQ級和功率級，如圖1所示。


圖1. MAX9736 D類音頻放大器電路框圖，設計包括輸入級、EQ級和功率級。

輸入級

左/右聲道和重低音聲道的輸入級相同。立體聲、對數抽頭電位器用作音量控制，用于調節前置放大器的信號。為避免地回路干擾，輸入級采用差分形式，RCA輸入連接器沒有直接連接到系統地。利用一個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轉換成單端輸出。輸入級的輸出以VREF為參考，該電壓是功率放大器U2的參考電壓，利用U5-D進行緩沖。

EQ級

輸入級之后，左、右聲道信號進入兩級參量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使用一個運放回轉器模擬LC串聯諧振電路中的電感。串聯電路有兩個接入點，可實現衰減或放大，這些接入點通過兩個不同的電容實現。例如，C105和C106是左聲道的第一級參量EQ，是左聲道的提升和衰減節點。如果只使用C106 (沒有連接C105)，諧振電路與串聯電阻R105 (10kΩ)組成一個分壓器，對諧振頻率信號進行衰減。相反，如果只使用C105，則降低反饋，使諧振頻率信號提升。如果兩個電容都不使用，則該部分電路禁用。

諧振頻率f0由下式計算：

f0 = 1/(2 × π × √(L0 × C0))

其中：

L0 = R108 × C107 × R107
C0 = C105

Q值為：

Q0 = √(L0/(C0 × R02))

通過加入第三級EQ電路可實現傾斜型濾波，只需要RC元件即可：一個電容(C113用于提升；C114用于衰減)和一個電阻(R111)。

作為立體聲D類放大器IC，MAX9736在輸入級還集成了兩個運放，能夠用作通用濾波器，該參考設計中利用這些運放為左/右聲道構建2階高通濾波器。運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。

功率級

該設計提供了三個通道的揚聲器功率放大器。MAX9736B用于立體聲模式，驅動左、右聲道揚聲器，能夠為4Ω揚聲器提供2 × 11W功率。MAX9736A配置為單聲道模式，用于第三個聲道，驅動重低音放大器。

在單聲道模式，MAX9736A的兩個D類放大器輸出并聯，可提供更大的輸出功率。單聲道重低音能夠為4Ω揚聲器提供30W功率(VDD = 19V)。重低音聲道的輸入級與左/右聲道的輸入級相同。輸入級之后，左、右聲道信號通過U5-B疊加，提供單聲道重低音揚聲器的驅動。R303在疊加放大器設置重低音揚聲器的增益。

為了將平坦的頻響特性擴展到極低頻率，系統為重低音揚聲器提供了6階濾波電路。該方案在開孔揚聲器4階高通頻響的基礎上增加了2階有源高通濾波器。U5-C為重低音揚聲器提供同相Sallen-Key 2階高通濾波。

該系統需要高Q值，在40Hz頻點有13dB提升。為了避免揚聲器和放大器過載，配置Sallen-Key濾波器實現滑動高通濾波；濾波器在放大器輸出達到最大值時會動態調整。輸入電阻R305可自動降低(用光耦FET，U7)，從而使濾波器Q值降至0.5以下，即沒有提升。

重低音揚聲器放大器U2的輸出峰值電壓控制光耦FET的輸入信號。D6和C16組成峰值檢測器，能夠快速檢測輸出峰值電壓。峰值檢測器的閾值可調節或固定，取決于是否安裝R7和R8/R9。控制電路工作時將打開LED D5。


圖2. 重低音聲道動態調整仿真結果。在重低音信號達到其門限后，高通濾波器的Q值減小，截止頻率增大。

MAX9736A內部的兩個運放配置成4階重低音低通濾波器，作為左/右聲道高通濾波器的后續濾波。

J1為電源輸入連接器，用于標準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，適用于塢站系統供電。通過C1、C2濾波，電壓標記為PVDD，接入電源后點亮D1藍燈。

采用簡單的復位電路(U6)在上電、掉電時為放大器芯片提供一個靜音信號，以避免在輸入電路信號建立過程中產生瞬態噪聲。靜音控制門限通過R3和R4電阻分壓器設定在大約10V。

MAX9736采用受專利保護的無濾波調制技術，不需要外部大尺寸電感濾波器。輸出端只需簡單的鐵氧體磁珠(L100和L301)。

揚聲器和機殼

重低音揚聲器采用Tymphany的5英寸直徑揚聲器，型號為830945，標稱阻抗為4Ω，諧振頻率為47.4Hz。左、右聲道采用2英寸揚聲器，型號為Tymphany 830970，標稱阻抗為4Ω，諧振頻率為147.5Hz。

低至35Hz的f3設計用于語音系統，采用了6階濾波電路，包括一個2階高通有源濾波器。整個系統放置在一個機箱內，包括三個揚聲器、調節端口和電路PCB。重低音揚聲器開口向下安裝，可節省機箱尺寸，有助于提高效率。機箱體積大約為3.79l，調諧在54Hz。機箱外型尺寸近似為355mm x 180mm x 120mm。揚聲器濾波均衡設計為250Hz的4階Linkwitz-Riley濾波器；衛星揚聲器均衡包括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所示為系統頻響。


圖3. 整個系統的頻響特性仿真表明最大平坦相應可以擴展至40Hz

本文給出的機械結構圖源于原型設計，原型設計用1/4英寸丙烯塑料制成，用鉆孔螺絲和丙烯膠固定。消費類產品可能會考慮使用性價比更高的材料，譬如木制材料、纖維板(MDF)、工程塑料(ABS)等。

電路原理圖

詳細電路圖(PDF, 80.4kB)


詳細電路圖(PDF, 84.4kB)


詳細電路圖(PDF, 92kB)

PCB布板

頂層絲印層詳細圖片(PDF, 277kB)

機械圖

詳細圖片(PDF, 72kB)


詳細圖片(PDF, 56kB)


詳細圖片(PDF, 52kB)


詳細圖片(PDF, 48kB)

系統照片