2.1聲道(衛(wèi)星通信/低音)揚(yáng)聲器系統(tǒng)

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)星通信系統(tǒng)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，在5V單電源供電時(shí)該方案可提供2 × 2W和1 × 9W輸出功率。

序言

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2個(gè)立體聲衛(wèi)星揚(yáng)聲器處理中頻和高頻(典型值為150Hz及更高頻率)以及1個(gè)低音揚(yáng)聲器處理低頻(典型值為150Hz及更低頻率)。本應(yīng)用筆記提出了采用Maxim的專(zhuān)業(yè)音頻和電源IC實(shí)現(xiàn)5V單電源供電、具有2 × 2W和1 × 9W輸出功率的2.1聲道音頻功放系統(tǒng)。

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。采用單5V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。

1. 最常用的解決方案是采用兩組具有相同輸出功率的立體聲功放。其中一組用于驅(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 × 1W衛(wèi)星和1 × 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。
2. 通過(guò)更換上述方案中的揚(yáng)聲器，使用4Ω衛(wèi)星揚(yáng)聲器和2Ω低音揚(yáng)聲器，可構(gòu)成2 × 2W衛(wèi)星揚(yáng)聲器和1 × 4W低音揚(yáng)聲器的2.1方案。該方案使輸出功率加倍，提高了聲壓等級(jí)。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)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限制的系統(tǒng)中，可能會(huì)帶來(lái)散熱問(wèn)題。
3. 比上述兩種解決方案更好的是采用2 × 2W放大器用于衛(wèi)星揚(yáng)聲器、1 × 9W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9W功率時(shí)可產(chǎn)生足夠的低音效果。但是，9W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4至5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8W至10W。

上面提到的解決方案#1和#2易于實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橹恍枰宦?V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，但前提是可以方便的得到額外的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 × 2W立體聲放大器MAX9789、1 × 10W單聲道D類(lèi)放大器MAX9768以及低噪聲升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器MAX8740。

MAX9789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)聲器的立體聲2W AB類(lèi)揚(yáng)聲器放大器和100mW立體聲DirectDrive?耳機(jī)放大器。MAX9789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專(zhuān)利的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，并省去了消除咔嗒和噼噗聲所需的輸出隔直電容。另外，MAX9789還集成一個(gè)1.21V至4.75V輸出可調(diào)的LDO，可為音頻codec或其它模擬電路提供干凈的電源。

MAX9768為無(wú)需濾波輸出的D類(lèi)放大器，在12V電源供電時(shí)能以10%的THD+N向8Ω負(fù)載提供9W輸出功率。其D類(lèi)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9W功率。MAX9768具有87%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0.5m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通過(guò)FCC EMI限制。2 (下面的圖2給出了MAX9768用戶評(píng)估板輸出粉紅噪聲并采用1m電纜時(shí)的FCC輻射掃描圖。) 請(qǐng)注意：如果系統(tǒng)中的低音揚(yáng)聲器無(wú)需較大功率，MAX9768的輸出功率可以降低。


圖2. 使用1m揚(yáng)聲器電纜時(shí)的MAX9768無(wú)濾波EMI測(cè)量

MAX8740為固定頻率、脈寬調(diào)制(PWM)升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置n溝道MOSFET。該器件設(shè)計(jì)用于各種DC-DC轉(zhuǎn)換應(yīng)用。對(duì)于我們的解決方案，該器件用來(lái)作為具有5V輸入電壓的升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生12V直流電壓為MAX9768供電。MAX8740易于使用，只需少量外部元件，并提供μMAX?封裝。MAX8740的轉(zhuǎn)換效率為90%、關(guān)斷電流低于0.1μA，非常適合于電池供電的便攜式系統(tǒng)應(yīng)用。

結(jié)論

2.1聲道整體解決方案充分利用了Maxim在音頻和電源IC領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)技術(shù)。MAX9789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。MAX9768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。MAX8740提供一種簡(jiǎn)便的方法將5V電源轉(zhuǎn)換成12V以使系統(tǒng)完整，并能以90%的效率為低音揚(yáng)聲器放大器供電。

1有關(guān)Maxim擁有專(zhuān)利的DirectDrive架構(gòu)的更多信息，請(qǐng)參考應(yīng)用筆記3979："DirectDrive技術(shù)"。
2有關(guān)MAX9768擴(kuò)譜調(diào)制模式的更多信息，請(qǐng)參考應(yīng)用筆記3881："擴(kuò)譜調(diào)制模式使D類(lèi)放大器的電磁干擾降至最低"。

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