应用笔记 4046

2.1声道(卫星通信/低音)扬声器系统概述


摘要 : 本应用笔记介绍了用于便携式计算机的传统2.1声道音频设计,以及该方案针对卫星扬声器和低音扬声器不同输出功率要求的设计。本文详细说明了Maxim的高效率、低成本2.1声道解决方案,该方案可提供2 x 2W和1 x 7W输出功率。

引言

便携式计算机的音频设计人员致力于持续改善系统音频效果。在空间受限的设计中,比较好的解决方案是采用2.1声道配置,即采用立体声卫星扬声器处理中频和高频(便携式计算机系统中的典型值为500Hz及更高频率)以及1个低音扬声器处理低频(便携式计算机系统中的典型值为500Hz及更低频率)。

本应用笔记介绍了可提供2 x 2W和1 x 7W输出功率的高效率、低成本2.1声道解决方案,该方案采用具有较宽电源电压范围(8V至28V)的MAX9737 D类放大器,无需任何电压调节器。

传统解决方案

音频系统设计人员面临的主要问题是卫星扬声器和低音扬声器具有不同的输出功率要求。典型情况下,低音扬声器需要比卫星扬声器多4至5倍的输出功率,以达到合适的声响平衡。采用5V单电源供电时,可用的音频功放解决方案有很多,但均有缺陷。
  1. 最常用的解决方案是采用两个具有相同输出功率的立体声功放。其中一个用于驱动卫星扬声器,另一个用于驱动低音扬声器。卫星扬声器采用8Ω扬声器,而低音扬声器为4Ω扬声器。这可构成2 x 1W卫星扬声器和1 x 2W低音扬声器的2.1声道解决方案。尽管该方案很简便,但不能为低音扬声器提供足够的功率来产生真实的低音效果。另外,采用8Ω卫星扬声器不能使卫星扬声器的声压等级(SPL)最大。因此,这种方案的整体音响效果非常有限。

  2. 通过改变上述方案中的扬声器阻抗,使用4Ω卫星扬声器和2Ω低音扬声器,可构成2 x 2W卫星扬声器和1 x 4W低音扬声器的2.1声道方案。该方案使输出功率加倍,提高了音响效果。但是,采购2Ω扬声器以及驱动这种扬声器的功率放大器非常困难,而且成本很高。另外,电源电流需求大概会增加一倍,这会降低该解决方案的效率,特别是在电路板空间受限的系统中,可能会带来散热问题。

  3. 比上述两种解决方案更好的是采用2 x 2W放大器用于卫星扬声器、1 x 7W放大器用于低音扬声器。在该配置中,卫星扬声器为4Ω,并且充分利用5V电源电压;同时低音扬声器为8Ω,在7W功率时可产生足够的低音效果。但是,7W低音扬声器放大器需要一路12V电源,增加了解决方案的复杂程度。对于仅能提供一路5V电源的系统,需要产生一路12V电源。

传统方案分析

采用2.1声道扬声器系统的优点是可以从很小的空间产生出“震撼”的音响效果。为达到该目的,低音扬声器放大器的功率至少要比卫星扬声器放大器的功率大3至4倍。对于2W的卫星扬声器放大器,低音扬声器放大器的输出功率至少要6W至8W。

上面提到的解决方案1和2易于实现,只需一路5V单电源。但是,这两种方案无法解决问题,因为都缺乏足够的功率来驱动低音扬声器。

解决方案3比较理想,但前提是可以方便地得到额外的12V电源。

图1. Maxim用于2.1声道扬声器系统的完整解决方案
图1. Maxim用于2.1声道扬声器系统的完整解决方案

Maxim的解决方案及其优势

图1所示为Maxim用于2.1声道扬声器系统的完整解决方案。该方案使用兼容Windows Vista®、带有立体声耳机驱动器的2 x 2W立体声放大器MAX9791以及1 x 7W单声道D类放大器MAX9737,MAX9737直接连接至笔记本电脑的电池。

MAX9791在单个器件内整合了驱动2.1声道系统中卫星扬声器的2W立体声D类扬声器放大器和180mW立体声DirectDrive®耳机放大器。MAX9791设计用于采用Windows Vista操作系统的便携式计算机系统,完全兼容Windows Vista规范。耳机放大器具有Maxim的DirectDrive结构,能够从单电源产生以地为基准的输出,无需输出隔直电容¹。这种DirectDrive结构可以节约成本、减少电路板空间、降低器件高度,并消除了输出隔直电容带来的咔嗒/噼噗声。另外,MAX9791还集成一个3.3V或4.75V输出可调的LDO,可为音频编解码器或其它模拟电路提供干净的电源。

MAX9737为无需滤波输出的D类放大器,在12V电源供电时能以10%的THD+N向8Ω负载提供7W输出功率。需要注意的是,如果系统中的低音扬声器无需较大功率,则可以降低MAX9737的输出功率。MAX9737具有较宽的电源电压范围(8V至28V),可直接连接至笔记本电脑的电池(通常为9V至21V),从而无需电压调节器或DC-DC转换器来产生驱动低音扬声器放大器所需的12V电源。MAX9737的D类调制方式无需输出滤波器,可降低成本,并可向2.1声道系统中的低音扬声器提供足够的7W功率。MAX9737具有90%的效率,无需散热器。另外,其扩谱调制模式允许器件在使用1m扬声器电缆时只需低成本的铁氧体磁珠和每路输出上的电容即可满足FCC和CE的EMI限制要求²。(下面的图2给出了MAX9737用户评估(EV)板在粉红噪声输入以及1m扬声器电缆条件下的CE辐射扫描图。)

图2. 使用1m扬声器电缆时的MAX9737无滤波EMI测量
图2. 使用1m扬声器电缆时的MAX9737无滤波EMI测量

卫星扬声器和低音扬声器的高通和低通滤波

图1所示的2.1声道方案在MAX9791的输入端需要接一个高通滤波器用于卫星扬声器滤波,在MAX9737的输入端接一个带通滤波器用于低音扬声器滤波。图3中的运算放大器构成了2阶多反馈高通滤波器,置于MAX9791之前,以驱动卫星扬声器。

图3. 用于卫星扬声器的2阶多反馈高通滤波器
图3. 用于卫星扬声器的2阶多反馈高通滤波器

图3所示的高通滤波器的传输函数如下所示:
式1.
从而:
式2.
进行替换后:
式3.
其中,f0是高通滤波器的3dB滚降点;A是增益,单位为V/V。

图4给出了单位增益下f0 = 500Hz的高通滤波器电路。需要注意的是,需要一个电阻R来降低滤波器电路产生的容性负载,建议R = 470Ω。本设计中,运算放大器采用一个5V单电源供电,因而需要将其偏置到一个直流电压。建议偏置电压取2.5V,以实现最大的电压摆幅,本例中使用来自MAX9737的2.5V偏置电压(VREF)。取自MAX9737的偏置电压连接至COM引脚,并通过MAX4234运算放大器进行缓冲(见图11)。如果MAX4234运算放大器采用双电源供电,则VREF应为地电位。

图4. f0 = 500Hz、A = 1V/V的2阶多反馈高通滤波器
图4. f0 = 500Hz、A = 1V/V的2阶多反馈高通滤波器

图5给出了C1、C2和C3采用不同值时的仿真结果。单位增益时,C1 = C2 = C3。R = 470Ω,R1 = 30.1kΩ,R2 = 140kΩ。

图5. 采用不同电容值的高通滤波器仿真结果
图5. 采用不同电容值的高通滤波器仿真结果

对于低音扬声器,应使用带通滤波器。需要两个运算放大器以构成一个低通滤波器和一个高通滤波器,用于带通滤波。对低音扬声器使用带通滤波器,这是因为典型计算机设计中的低音扬声器体积过小,无法重建80Hz至100Hz以下的波形。本例中,带通滤波器将低音扬声器的响应频率限制在100Hz至500Hz之间。

图6给出了带通滤波器电路,由MAX9737的输入运放组成的高通滤波器和外部运放组成的低通滤波器构成。

图6. MAX9737的带通滤波器
图6. MAX9737的带通滤波器

图6中的低通滤波器的传输函数如下所示:
式4.
从而:
式5.
进行替换后:
式6.
图7给出了构建响应频率为100Hz至500Hz的带通滤波器的电阻和电容值。低通滤波器由外部运放构成,f0 = 500Hz,具有单位增益。高通滤波器由MAX9737的内部运放构成,f0 = 100Hz,具有单位增益。图8给出了图7设计电路的仿真结果。

图7. f0 = 100Hz和500Hz、A = 1V/V的2阶多反馈带通滤波器
图7. f0 = 100Hz和500Hz、A = 1V/V的2阶多反馈带通滤波器

图8. 图7所示的带通滤波器仿真结果
图8. 图7所示的带通滤波器仿真结果

下面的图9给出了图7所示电路的仿真结果,通过改变R2的取值说明如何调节带通滤波器中的低通滤波器部分。

图9. 改变R2调节低通滤波器的仿真结果
图9. 改变R2调节低通滤波器的仿真结果

下面的图10给出了图7所示电路的仿真结果,通过改变C3、C4和C5的取值说明如何调节带通滤波器中的高通滤波器部分。

图10. 改变C3、C4和C5调节高通滤波器的仿真结果
图10. 改变C3、C4和C5调节高通滤波器的仿真结果

图11给出了电路音频部分完整的电路连接原理图,其中包括用于卫星扬声器的高通滤波器和放大器以及用于低音扬声器的带通滤波器和放大器。高通滤波器配置为单位增益,并且f0 = 500Hz;带通滤波器配置为单位增益,并且f0 = 100Hz和500Hz。需要注意的是,高通滤波器和带通滤波器所需的MAX4234运算放大器采用5V单电源供电,因此需要一个偏置电压。MAX4234的偏置电压取自MAX9737内部的偏置电压,并通过一个配置为单位增益缓冲器的运放进行驱动。

图11. 音频电路图
图11. 音频电路图

结论

MAX9791为运行Windows Vista操作系统的便携式计算机提供完全集成的音频解决方案。MAX9737提供高效、大输出功率,可完全驱动便携式2.1声道系统中的低音扬声器。MAX9737具有较宽的电源电压范围(8V至28V),能够直接连接至笔记本电脑的电池,无需DC-DC转换器。这种宽电源电压范围特性是MAX9737的一个独特的优势。



¹如需Maxim的DirectDrive架构的详细信息,请参考应用笔记3979:“DirectDrive技术”。

²如需MAX9737扩展频谱调制原理的详细信息,请参考应用笔记3881:“扩谱调制模式使D类放大器的电磁干扰降至最低”。