用于MP3播放器坞站的D类、2.1声道音频放大器参考设计_技术

用于MP3播放器坞站的D类、2.1声道音频放大器参考设计

摘要：该参考设计介绍了D类音频放大器MAX9736在立体声坞站中的应用。MAX9736的2.1声道演示盒是一个完整的扬声器坞站，它使用了两片MAX9736 IC，用于驱动由两个2英寸卫星扬声器和一个5英寸重低音扬声器构成的三声道扬声器系统。该参考设计非常适合在便携式音频播放器中作为主音源。方案的整体尺寸非常小，而且具有有源均衡、电源监控以及重低音扬声器的动态均衡功能。

主要设计特性

完备的一体化设计
12V至20V直流电源供电
利用小音箱提供较高的SPL输出
高效率的D类设计
有源EQ，包括动态低音均衡
高性价比驱动器提供出色的音质

材料清单 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)
设计详细说明该参考设计安装在一个精心设计的盒子内，包含了所有电子元器件和扬声器。整个系统只需要一个外部电源和信号源。

两个2英寸扬声器用于左、右声道，一个5英寸扬声器用于重低音。一片MAX9736B工作在立体声模式，用于驱动左/右声道；另一片MAX9736A工作在单声道模式，用于驱动重低音声道。以下分两部分详细介绍该方案：电路部分和扬声器/机械结构部分。

电路说明该参考设计的电路分两部分，左/右声道和重低音声道。每部分包括三级电路：输入级、EQ级和功率级，如图1所示。

用于MP3播放器坞站的D类、2.1声道音频放大器参考设计,图1. MAX9736 D类音频放大器电路框图，设计包括输入级、EQ级和功率级。,第2张

图1. MAX9736 D类音频放大器电路框图，设计包括输入级、EQ级和功率级。

输入级左/右声道和重低音声道的输入级相同。立体声、对数抽头电位器用作音量控制，用于调节前置放大器的信号。为避免地回路干扰，输入级采用差分形式，RCA输入连接器没有直接连接到系统地。利用一个100Ω电阻降低共模电压；U3-A和U3-D (如以下原理图所示)提供2倍增益并将差分信号转换成单端输出。输入级的输出以VREF为参考，该电压是功率放大器U2的参考电压，利用U5-D进行缓冲。

EQ级输入级之后，左、右声道信号进入两级参量EQ电路，电路分别位于U3-B (左声道)和U3-C (右声道)附近。每路参量EQ使用一个运放回转器模拟LC串联谐振电路中的电感。串联电路有两个接入点，可实现衰减或放大，这些接入点通过两个不同的电容实现。例如，C105和C106是左声道的第一级参量EQ，是左声道的提升和衰减节点。如果只使用C106 (没有连接C105)，谐振电路与串联电阻R105 (10kΩ)组成一个分压器，对谐振频率信号进行衰减。相反，如果只使用C105，则降低反馈，使谐振频率信号提升。如果两个电容都不使用，则该部分电路禁用。

谐振频率f0由下式计算：

f0 = 1/(2 × π × √(L0 × C0))

其中：

L0 = R108 × C107 × R107
C0 = C105

Q值为：

Q0 = √(L0/(C0 × R0²))

通过加入第三级EQ电路可实现倾斜型滤波，只需要RC元件即可：一个电容(C113用于提升；C114用于衰减)和一个电阻(R111)。

作为立体声D类放大器IC，MAX9736在输入级还集成了两个运放，能够用作通用滤波器，该参考设计中利用这些运放为左/右声道构建2阶高通滤波器。运算放大器提供了反相输入端和输出端，可以搭建多反馈反相滤波器。C116/C216用于隔直流输入，降低输出失调。

功率级该设计提供了三个通道的扬声器功率放大器。MAX9736B用于立体声模式，驱动左、右声道扬声器，能够为4Ω扬声器提供2 × 11W功率。MAX9736A配置为单声道模式，用于第三个声道，驱动重低音放大器。

在单声道模式，MAX9736A的两个D类放大器输出并联，可提供更大的输出功率。单声道重低音能够为4Ω扬声器提供30W功率(VDD = 19V)。重低音声道的输入级与左/右声道的输入级相同。输入级之后，左、右声道信号通过U5-B叠加，提供单声道重低音扬声器的驱动。R303在叠加放大器设置重低音扬声器的增益。

为了将平坦的频响特性扩展到极低频率，系统为重低音扬声器提供了6阶滤波电路。该方案在开孔扬声器4阶高通频响的基础上增加了2阶有源高通滤波器。U5-C为重低音扬声器提供同相Sallen-Key 2阶高通滤波。

该系统需要高Q值，在40Hz频点有13dB提升。为了避免扬声器和放大器过载，配置Sallen-Key滤波器实现滑动高通滤波；滤波器在放大器输出达到最大值时会动态调整。输入电阻R305可自动降低(用光耦FET，U7)，从而使滤波器Q值降至0.5以下，即没有提升。

重低音扬声器放大器U2的输出峰值电压控制光耦FET的输入信号。D6和C16组成峰值检测器，能够快速检测输出峰值电压。峰值检测器的阈值可调节或固定，取决于是否安装R7和R8/R9。控制电路工作时将打开LED D5。

用于MP3播放器坞站的D类、2.1声道音频放大器参考设计,图2. 重低音声道动态调整仿真结果。在重低音信号达到其门限后，高通滤波器的Q值减小，截止频率增大。,第3张

图2. 重低音声道动态调整仿真结果。在重低音信号达到其门限后，高通滤波器的Q值减小，截止频率增大。

MAX9736A内部的两个运放配置成4阶重低音低通滤波器，作为左/右声道高通滤波器的后续滤波。

J1为电源输入连接器，用于标准的笔记本电脑同轴插头。典型的笔记本电脑电源的平均输出电压约为19V，适用于坞站系统供电。通过C1、C2滤波，电压标记为PVDD，接入电源后点亮D1蓝灯。

采用简单的复位电路(U6)在上电、掉电时为放大器芯片提供一个静音信号，以避免在输入电路信号建立过程中产生瞬态噪声。静音控制门限通过R3和R4电阻分压器设定在大约10V。

MAX9736采用受专利保护的无滤波调制技术，不需要外部大尺寸电感滤波器。输出端只需简单的铁氧体磁珠(L100和L301)。

扬声器和机壳重低音扬声器采用Tymphany的5英寸直径扬声器，型号为830945，标称阻抗为4Ω，谐振频率为47.4Hz。左、右声道采用2英寸扬声器，型号为Tymphany 830970，标称阻抗为4Ω，谐振频率为147.5Hz。

低至35Hz的f3设计用于语音系统，采用了6阶滤波电路，包括一个2阶高通有源滤波器。整个系统放置在一个机箱内，包括三个扬声器、调节端口和电路PCB。重低音扬声器开口向下安装，可节省机箱尺寸，有助于提高效率。机箱体积大约为3.79l，调谐在54Hz。机箱外型尺寸近似为355mm x 180mm x 120mm。扬声器滤波均衡设计为250Hz的4阶Linkwitz-Riley滤波器；卫星扬声器均衡包括f = 500Hz、增益 = +6dB、Q = 0.5的参量EQ和f3 = 3.8kHz、增益为+5.8dB的倾斜型滤波器，图3所示为系统频响。