用于MP3播放器坞站的D类、2.1声道音频放大器参考设计

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。


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。


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。


图3. 整个系统的频响特性仿真表明最大平坦相应可以扩展至40Hz

本文给出的机械结构图源于原型设计，原型设计用1/4英寸丙烯塑料制成，用钻孔螺丝和丙烯胶固定。消费类产品可能会考虑使用性价比更高的材料，譬如木制材料、纤维板(MDF)、工程塑料(ABS)等。

电路原理图

详细电路图(PDF, 80.4kB)


详细电路图(PDF, 84.4kB)


详细电路图(PDF, 92kB)

PCB布板

顶层丝印层详细图片(PDF, 277kB)

机械图

详细图片(PDF, 72kB)


详细图片(PDF, 56kB)


详细图片(PDF, 52kB)


详细图片(PDF, 48kB)

系统照片