摘要：本應(yīng)用筆記介紹了用于便攜式計(jì)算機(jī)的傳統(tǒng)2.1聲道音頻設(shè)計(jì)，以及該方案針對(duì)衛(wèi)星揚(yáng)聲器和低音揚(yáng)聲器不同輸出功率要求的設(shè)計(jì)。本文詳細(xì)說(shuō)明了Maxim的高效率、低成本2.1聲道解決方案，該方案可提供2 x 2W和1 x 7W輸出功率。
引言
便攜式計(jì)算機(jī)的音頻設(shè)計(jì)人員致力于持續(xù)改善系統(tǒng)音頻效果。在空間受限的設(shè)計(jì)中，比較好的解決方案是采用2.1聲道配置，即采用立體聲衛(wèi)星揚(yáng)聲器處理中頻和高頻(便攜式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的典型值為500Hz及更高頻率)以及1個(gè)低音揚(yáng)聲器處理低頻(便攜式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的典型值為500Hz及更低頻率)。
本應(yīng)用筆記介紹了可提供2 x 2W和1 x 7W輸出功率的高效率、低成本2.1聲道解決方案，該方案采用具有較寬電源電壓范圍(8V至28V)的MAX9737D類放大器，無(wú)需任何電壓調(diào)節(jié)器。
傳統(tǒng)解決方案
音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的主要問(wèn)題是衛(wèi)星揚(yáng)聲器和低音揚(yáng)聲器具有不同的輸出功率要求。典型情況下，低音揚(yáng)聲器需要比衛(wèi)星揚(yáng)聲器多4至5倍的輸出功率，以達(dá)到合適的聲響平衡。采用5V單電源供電時(shí)，可用的音頻功放解決方案有很多，但均有缺陷。
- 最常用的解決方案是采用兩個(gè)具有相同輸出功率的立體聲功放。其中一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星揚(yáng)聲器，另一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)低音揚(yáng)聲器。衛(wèi)星揚(yáng)聲器采用8Ω揚(yáng)聲器，而低音揚(yáng)聲器為4Ω揚(yáng)聲器。這可構(gòu)成2 x 1W衛(wèi)星揚(yáng)聲器和1 x 2W低音揚(yáng)聲器的2.1聲道解決方案。盡管該方案很簡(jiǎn)便，但不能為低音揚(yáng)聲器提供足夠的功率來(lái)產(chǎn)生真實(shí)的低音效果。另外，采用8Ω衛(wèi)星揚(yáng)聲器不能使衛(wèi)星揚(yáng)聲器的聲壓等級(jí)(SPL)最大。因此，這種方案的整體音響效果非常有限。
- 通過(guò)改變上述方案中的揚(yáng)聲器阻抗，使用4Ω衛(wèi)星揚(yáng)聲器和2Ω低音揚(yáng)聲器，可構(gòu)成2 x 2W衛(wèi)星揚(yáng)聲器和1 x 4W低音揚(yáng)聲器的2.1聲道方案。該方案使輸出功率加倍，提高了音響效果。但是，采購(gòu)2Ω揚(yáng)聲器以及驅(qū)動(dòng)這種揚(yáng)聲器的功率放大器非常困難，而且成本很高。另外，電源電流需求大概會(huì)增加一倍，這會(huì)降低該解決方案的效率，特別是在電路板空間受限的系統(tǒng)中，可能會(huì)帶來(lái)散熱問(wèn)題。
- 比上述兩種解決方案更好的是采用2 x 2W放大器用于衛(wèi)星揚(yáng)聲器、1 x 7W放大器用于低音揚(yáng)聲器。在該配置中，衛(wèi)星揚(yáng)聲器為4Ω，并且充分利用5V電源電壓；同時(shí)低音揚(yáng)聲器為8Ω，在7W功率時(shí)可產(chǎn)生足夠的低音效果。但是，7W低音揚(yáng)聲器放大器需要一路12V電源，增加了解決方案的復(fù)雜程度。對(duì)于僅能提供一路5V電源的系統(tǒng)，需要產(chǎn)生一路12V電源。
傳統(tǒng)方案分析
采用2.1聲道揚(yáng)聲器系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以從很小的空間產(chǎn)生出“震撼”的音響效果。為達(dá)到該目的，低音揚(yáng)聲器放大器的功率至少要比衛(wèi)星揚(yáng)聲器放大器的功率大3至4倍。對(duì)于2W的衛(wèi)星揚(yáng)聲器放大器，低音揚(yáng)聲器放大器的輸出功率至少要6W至8W。
上面提到的解決方案1和2易于實(shí)現(xiàn)，只需一路5V單電源。但是，這兩種方案無(wú)法解決問(wèn)題，因?yàn)槎既狈ψ銐虻墓β蕘?lái)驅(qū)動(dòng)低音揚(yáng)聲器。
解決方案3比較理想，但前提是可以方便地得到額外的12V電源。
圖1. Maxim用于2.1聲道揚(yáng)聲器系統(tǒng)的完整解決方案
Maxim的解決方案及其優(yōu)勢(shì)
圖1所示為Maxim用于2.1聲道揚(yáng)聲器系統(tǒng)的完整解決方案。該方案使用兼容Windows Vista®、帶有立體聲耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的2 x 2W立體聲放大器MAX9791以及1 x 7W單聲道D類放大器MAX9737，MAX9737直接連接至筆記本電腦的電池。
MAX9791在單個(gè)器件內(nèi)整合了驅(qū)動(dòng)2.1聲道系統(tǒng)中衛(wèi)星揚(yáng)聲器的2W立體聲D類揚(yáng)聲器放大器和180mW立體聲DirectDrive®耳機(jī)放大器。MAX9791設(shè)計(jì)用于采用Windows Vista操作系統(tǒng)的便攜式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，完全兼容Windows Vista規(guī)范。耳機(jī)放大器具有Maxim的DirectDrive結(jié)構(gòu)，能夠從單電源產(chǎn)生以地為基準(zhǔn)的輸出，無(wú)需輸出隔直電容¹。這種DirectDrive結(jié)構(gòu)可以節(jié)約成本、減少電路板空間、降低器件高度，并消除了輸出隔直電容帶來(lái)的咔嗒/噼噗聲。另外，MAX9791還集成一個(gè)3.3V或4.75V輸出可調(diào)的LDO，可為音頻編解碼器或其它模擬電路提供干凈的電源。
MAX9737為無(wú)需濾波輸出的D類放大器，在12V電源供電時(shí)能以10%的THD+N向8Ω負(fù)載提供7W輸出功率。需要注意的是，如果系統(tǒng)中的低音揚(yáng)聲器無(wú)需較大功率，則可以降低MAX9737的輸出功率。MAX9737具有較寬的電源電壓范圍(8V至28V)，可直接連接至筆記本電腦的電池(通常為9V至21V)，從而無(wú)需電壓調(diào)節(jié)器或DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)低音揚(yáng)聲器放大器所需的12V電源。MAX9737的D類調(diào)制方式無(wú)需輸出濾波器，可降低成本，并可向2.1聲道系統(tǒng)中的低音揚(yáng)聲器提供足夠的7W功率。MAX9737具有90%的效率，無(wú)需散熱器。另外，其擴(kuò)譜調(diào)制模式允許器件在使用1m揚(yáng)聲器電纜時(shí)只需低成本的鐵氧體磁珠和每路輸出上的電容即可滿足FCC和CE的EMI限制要求²。(下面的圖2給出了MAX9737用戶評(píng)估(EV)板在粉紅噪聲輸入以及1m揚(yáng)聲器電纜條件下的CE輻射掃描圖。)
圖2. 使用1m揚(yáng)聲器電纜時(shí)的MAX9737無(wú)濾波EMI測(cè)量
衛(wèi)星揚(yáng)聲器和低音揚(yáng)聲器的高通和低通濾波
圖1所示的2.1聲道方案在MAX9791的輸入端需要接一個(gè)高通濾波器用于衛(wèi)星揚(yáng)聲器濾波，在MAX9737的輸入端接一個(gè)帶通濾波器用于低音揚(yáng)聲器濾波。圖3中的運(yùn)算放大器構(gòu)成了2階多反饋高通濾波器，置于MAX9791之前，以驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星揚(yáng)聲器。
圖3. 用于衛(wèi)星揚(yáng)聲器的2階多反饋高通濾波器
圖3所示的高通濾波器的傳輸函數(shù)如下所示：
從而：
進(jìn)行替換后：
其中，f0是高通濾波器的3dB滾降點(diǎn)；A是增益，單位為V/V。
圖4給出了單位增益下f0 = 500Hz的高通濾波器電路。需要注意的是，需要一個(gè)電阻R來(lái)降低濾波器電路產(chǎn)生的容性負(fù)載，建議R = 470Ω。本設(shè)計(jì)中，運(yùn)算放大器采用一個(gè)5V單電源供電，因而需要將其偏置到一個(gè)直流電壓。建議偏置電壓取2.5V，以實(shí)現(xiàn)最大的電壓擺幅，本例中使用來(lái)自MAX9737的2.5V偏置電壓(VREF)。取自MAX9737的偏置電壓連接至COM引腳，并通過(guò)MAX4234運(yùn)算放大器進(jìn)行緩沖(見圖11)。如果MAX4234運(yùn)算放大器采用雙電源供電，則VREF應(yīng)為地電位。
圖4. f0 = 500Hz、A = 1V/V的2階多反饋高通濾波器
圖5給出了C1、C2和C3采用不同值時(shí)的仿真結(jié)果。單位增益時(shí)，C1 = C2 = C3。R = 470Ω，R1 = 30.1kΩ，R2 = 140kΩ。
圖5. 采用不同電容值的高通濾波器仿真結(jié)果
對(duì)于低音揚(yáng)聲器，應(yīng)使用帶通濾波器。需要兩個(gè)運(yùn)算放大器以構(gòu)成一個(gè)低通濾波器和一個(gè)高通濾波器，用于帶通濾波。對(duì)低音揚(yáng)聲器使用帶通濾波器，這是因?yàn)榈湫陀?jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中的低音揚(yáng)聲器體積過(guò)小，無(wú)法重建80Hz至100Hz以下的波形。本例中，帶通濾波器將低音揚(yáng)聲器的響應(yīng)頻率限制在100Hz至500Hz之間。
圖6給出了帶通濾波器電路，由MAX9737的輸入運(yùn)放組成的高通濾波器和外部運(yùn)放組成的低通濾波器構(gòu)成。
圖6. MAX9737的帶通濾波器
圖6中的低通濾波器的傳輸函數(shù)如下所示：
從而：
進(jìn)行替換后：
圖7給出了構(gòu)建響應(yīng)頻率為100Hz至500Hz的帶通濾波器的電阻和電容值。低通濾波器由外部運(yùn)放構(gòu)成，f0 = 500Hz，具有單位增益。高通濾波器由MAX9737的內(nèi)部運(yùn)放構(gòu)成，f0 = 100Hz，具有單位增益。圖8給出了圖7設(shè)計(jì)電路的仿真結(jié)果。
圖7. f0 = 100Hz和500Hz、A = 1V/V的2階多反饋帶通濾波器
圖8. 圖7所示的帶通濾波器仿真結(jié)果
下面的圖9給出了圖7所示電路的仿真結(jié)果，通過(guò)改變R2的取值說(shuō)明如何調(diào)節(jié)帶通濾波器中的低通濾波器部分。
圖9. 改變R2調(diào)節(jié)低通濾波器的仿真結(jié)果
下面的圖10給出了圖7所示電路的仿真結(jié)果，通過(guò)改變C3、C4和C5的取值說(shuō)明如何調(diào)節(jié)帶通濾波器中的高通濾波器部分。
圖10. 改變C3、C4和C5調(diào)節(jié)高通濾波器的仿真結(jié)果
圖11給出了電路音頻部分完整的電路連接原理圖，其中包括用于衛(wèi)星揚(yáng)聲器的高通濾波器和放大器以及用于低音揚(yáng)聲器的帶通濾波器和放大器。高通濾波器配置為單位增益，并且f0 = 500Hz；帶通濾波器配置為單位增益，并且f0 = 100Hz和500Hz。需要注意的是，高通濾波器和帶通濾波器所需的MAX4234運(yùn)算放大器采用5V單電源供電，因此需要一個(gè)偏置電壓。MAX4234的偏置電壓取自MAX9737內(nèi)部的偏置電壓，并通過(guò)一個(gè)配置為單位增益緩沖器的運(yùn)放進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
圖11. 音頻電路圖
結(jié)論
MAX9791為運(yùn)行Windows Vista操作系統(tǒng)的便攜式計(jì)算機(jī)提供完全集成的音頻解決方案。MAX9737提供高效、大輸出功率，可完全驅(qū)動(dòng)便攜式2.1聲道系統(tǒng)中的低音揚(yáng)聲器。MAX9737具有較寬的電源電壓范圍(8V至28V)，能夠直接連接至筆記本電腦的電池，無(wú)需DC-DC轉(zhuǎn)換器。這種寬電源電壓范圍特性是MAX9737的一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 |
