参考电路 4320

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

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
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

系统照片

 
Status:
Package:
Temperature:

MAX5084
65V、200mA、低静态电流线性稳压器,TDFN封装

  • 宽输入电压范围(6.5V至65V)
  • 高效散热的3mm x 3mm 6引脚TDFN封装,在+70°C下可耗散1.905W功率
  • 确保200mA输出电流

MAX4234
高输出驱动、10MHz、10V/µs、满摆幅输入/输出运算放大器,带有关断,SC70封装

  • 输出驱动电流可达200mA
  • 满摆幅输入和输出
  • 每运放电源电流1.1mA

MAX809L
3引脚微处理器复位电路

  • Precision Monitoring of +2.5V, +3V, +3.3V, and +5V Power-Supply Voltages
  • Fully Specified Over Temperature
  • Available in Three Output Configurations