用于MP3播放器坞站的D类、2.1声道音频放大器参考设计
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
详情介绍
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 |
|---|---|---|
| U1, U2 | 2 | Maxim MAX98400AETX+ (6mm x 6mm x 0.75mm, 36-pin TQFN), stereo high-power Class D amplifier |
| U3–U5, U100 | 4 | Maxim MAX4234 (TSSOP-14), high-output-drive, 10MHz, 10V/µs, rail-to-rail I/O op amps |
| U6 | 1 | Maxim MAX809LEUR (SOT-23),microprocessor reset circuit |
| U7 | 1 | Fairchild™ H11F1SM, Opto-FET (DIP6-SMT) |
| U8 | 1 | Maxim MAX5084ATT+ (6-TDFN-EP) 65V, 200mA, linear regulator |
| C1 | 1 | 560µF ±20% 35V aluminum electrolytic capacitor Panasonic® EEU-FM1V561L |
| C11, C15 | 2 | 220µF ±20% 35V aluminum electrolytic capacitor (10mm x 12.5mm) Panasonic EEUFM1V221 |
| C16 | 1 | 10µF (1206), 50V |
| C80 | 2 | 10µF (1210), 50V |
| C2–C5, C10, C12–C14, C19, C305, C307, C321 | 12 | 0.1µF ceramic capacitor (0603), X7R, 50V |
| C8, C17–C18, C9, C122–C123, C222–C223, C309–C312 | 12 | 1µF ceramic capacitor (0603), X7R, 16V |
| C106, C109–C111, C114, C206, C209–C211, C214 | 10 | OPEN |
| C117–C119, C217–C219 | 6 | 10nF ceramic capacitor (0603) X7R, 50V |
| C76 | 1 | 10µF ceramic capacitor (0805), X5R, 10V |
| C200–C201, C100–C101 | 4 | 2.2µF ceramic capacitor (0805), X7R, 25V |
| C204, C120–C121, C220–C221, C203, C301, C103–C104, C314–C315 | 11 | 100pF ceramic capacitor (0603), COG, 50V |
| C215, C208, C202, C112, C300, C102, C108, C212, C115, C322 | 10 | 33pF ceramic capacitor (0603), COG, 50V |
| C113, C213 | 2 | 4.7nF ceramic capacitor (0603), COG, 50V |
| C303 | 1 | 0.33µF ceramic capacitor (0603), X7R, 50V |
| C7 | 1 | OPEN |
| C306, C308 | 2 | 15nF ceramic capacitor (0805), COG, 50V |
| C205, C105 | 2 | 68nF ceramic capacitor (0805), X7R, 25V |
| C107, C207 | 2 | 150pF ceramic capacitor (0603), COG, 50V |
| C302 | 1 | 0.47µF ceramic capacitor (0603), X7R, 50V |
| C316–C317 | 2 | 0.1µF ceramic capacitor (0603), X7R, 50V |
| R1 | 1 | 10kΩ (0805) |
| R27–R28 | 2 | 680Ω (1206), 500mW |
| R2, R24, R317 | 3 | 1kΩ (0603) |
| R4 | 1 | 4.22kΩ (0603) |
| R5 | 1 | 220Ω (0603) |
| R6, R8–R12, R14–R15, R17–R19, R22, R26, R100, R110, R113, R200, R210, R213 | 19 | OPEN |
| R13, R20, R105, R21, R16, R23, R205, R25 | 8 | 0Ω (0603) |
| R107, R109, R207, R209 | 4 | 1MΩ (0603) |
| R111, R112 | 2 | 10.5kΩ (0603) |
| R103–R104, R203–R204 | 4 | 39.2kΩ (0603) |
| R131–R132, R231–R232 | 4 | 3.32kΩ (0603) |
| R202, R101, R206, R108, R208, R102, R3, R106, R201, R300–R301, R318–R319 | 13 | 10kΩ (0603) |
| R115, R215 | 2 | 30.1kΩ (0603) |
| R114, R214 | 2 | 137kΩ (0603) |
| R130, R230 | 2 | 100Ω (0603) |
| R112, R212 | 2 | 150Ω (0603) |
| R302 | 1 | 2kΩ (0603) |
| R304 | 1 | 7.15kΩ (0603) |
| R305 | 1 | 14.7kΩ (0603) |
| R306 | 1 | 12kΩ (0603) |
| R307 | 1 | 3.3kΩ (0603) |
| R308 | 1 | 3.24kΩ (0603) |
| R309, R311–R312, R314 | 4 | 11kΩ (0603) |
| R313, R310 | 2 | 24.3kΩ (0603) |
| R315–R316 | 2 | 2.2kΩ (0603) |
| R7 | 1 | 100kΩ, PVG3A104C01R00, surface mount potentiometer, 3mm |
| R303 | 1 | 20kΩ, PVG3A203C01R00, surface mount potentiometer, 3mm |
| L100–L101, L200–L201, L300–L301 | 6 | Ferrite bead (1206), 3A |
| FB1 | 1 | Ferrite bead (1206), 6A |
| J1 | 1 | Power jack, right angle, Switchcraft® 722RA |
| J2 | 1 | Dual RCA® jack, 161-4220-E |
| J3 | 1 | 6-pin male header |
| J4 | 1 | Header, Hirose DF3A-2P-2DSA |
| J10, J20, J30 | 3 | Header, 26-60-4020 |
| D1 | 1 | Green LED (0603) |
| D3 | 1 | Zener diode (SOT23), BZX84C5V6 |
| D5 | 1 | Blue LED (0603) |
| D6 | 1 | Dual diode (SOT23), common cathode, MMBD4148CC |
| Q2 | 1 | NPN transistor, MMBT3904 |
| X1–X2 | 2 | Screw terminal |
| SPK1, SPK2 | 2 | 2in full-range loudspeaker Tymphany® Peerless Gold PLS-P830970 830970 |
| SPK3 | 1 | 5.25in subwoofer loudspeaker Tymphany Peerless Gold SLS-P830945 |
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MAX98400A工作在立体声模式，用于驱动左/右声道；另一片MAX98400A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. MAX98400 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U100-A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)。
该参考设计中，利用U100-B和U100-C运放为左/右声道构建2阶高通滤波器。
功率级
该设计提供了三个通道的扬声器功率放大器。MAX98400A用于立体声模式，驱动左、右声道扬声器，能够为8Ω扬声器提供2 × 20W功率。MAX98400A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，MAX98400A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44W功率(VDD = 18V)。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-B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(图2)。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。
两个运放U5-C和U5-D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绿灯。
采用简单的复位电路(U6)在上电、掉电时将放大器芯片置于关断状态，以避免在输入电路信号建立过程中产生瞬态噪声。关断控制门限通过R3和R4电阻分压器设定在大约10V。
MAX98400采用具有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SLS-P830945，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 PLS-P830970，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、丙烯胶和8.5in x 2.5in端口管固定。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
详细图片(PDF, 335kB)
详细图片(PDF, 329kB)
详细图片(PDF, 343kB)
PCB布板
顶层丝印层详细图片(PDF, 296kB)
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
