摘要：本應用筆記介紹了用于便攜式計算機的傳統2.1聲道音頻設計，以及該方案針對衛星揚聲器和低音揚聲器不同輸出功率要求的設計。本文詳細說明了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
便攜式計算機的音頻設計人員致力于持續改善系統音頻效果。在空間受限的設計中，比較好的解決方案是采用2.1聲道配置，即采用立體聲衛星揚聲器處理中頻和高頻(便攜式計算機系統中的典型值為500Hz及更高頻率)以及1個低音揚聲器處理低頻(便攜式計算機系統中的典型值為500Hz及更低頻率)。
本應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，無需任何電壓調節器。
傳統解決方案
音頻系統設計人員面臨的主要問題是衛星揚聲器和低音揚聲器具有不同的輸出功率要求。典型情況下，低音揚聲器需要比衛星揚聲器多4至5倍的輸出功率，以達到合適的聲響平衡。采用5V單電源供電時，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具有相同輸出功率的立體聲功放。其中一個用于驅動衛星揚聲器，另一個用于驅動低音揚聲器。衛星揚聲器采用8Ω揚聲器，而低音揚聲器為4Ω揚聲器。這可構成2 x 1W衛星揚聲器和1 x 2W低音揚聲器的2.1聲道解決方案。盡管該方案很簡便，但不能為低音揚聲器提供足夠的功率來產生真實的低音效果。另外，采用8Ω衛星揚聲器不能使衛星揚聲器的聲壓等級(SPL)最大。因此，這種方案的整體音響效果非常有限。
- 通過改變上述方案中的揚聲器阻抗，使用4Ω衛星揚聲器和2Ω低音揚聲器，可構成2 x 2W衛星揚聲器和1 x 4W低音揚聲器的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2Ω揚聲器以及驅動這種揚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增加一倍，這會降低該解決方案的效率，特別是在電路板空間受限的系統中，可能會帶來散熱問題。
- 比上述兩種解決方案更好的是采用2 x 2W放大器用于衛星揚聲器、1 x 7W放大器用于低音揚聲器。在該配置中，衛星揚聲器為4Ω，并且充分利用5V電源電壓；同時低音揚聲器為8Ω，在7W功率時可產生足夠的低音效果。但是，7W低音揚聲器放大器需要一路12V電源，增加了解決方案的復雜程度。對于僅能提供一路5V電源的系統，需要產生一路12V電源。
傳統方案分析
采用2.1聲道揚聲器系統的優點是可以從很小的空間產生出“震撼”的音響效果。為達到該目的，低音揚聲器放大器的功率至少要比衛星揚聲器放大器的功率大3至4倍。對于2W的衛星揚聲器放大器，低音揚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易于實現，只需一路5V單電源。但是，這兩種方案無法解決問題，因為都缺乏足夠的功率來驅動低音揚聲器。
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聲道揚聲器系統的完整解決方案
Maxim的解決方案及其優勢
圖1所示為Maxim用于2.1聲道揚聲器系統的完整解決方案。該方案使用兼容Windows Vista®、帶有立體聲耳機驅動器的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在單個器件內整合了驅動2.1聲道系統中衛星揚聲器的2W立體聲D類揚聲器放大器和180mW立體聲DirectDrive®耳機放大器。MAX9791設計用于采用Windows Vista操作系統的便攜式計算機系統，完全兼容Windows Vista規范。耳機放大器具有Maxim的DirectDrive結構，能夠從單電源產生以地為基準的輸出，無需輸出隔直電容¹。這種DirectDrive結構可以節約成本、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的咔嗒/噼噗聲。另外，MAX9791還集成一個3.3V或4.75V輸出可調的LDO，可為音頻編解碼器或其它模擬電路提供干凈的電源。
MAX9737為無需濾波輸出的D類放大器，在12V電源供電時能以10%的THD+N向8Ω負載提供7W輸出功率。需要注意的是，如果系統中的低音揚聲器無需較大功率，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)，從而無需電壓調節器或DC-DC轉換器來產生驅動低音揚聲器放大器所需的12V電源。MAX9737的D類調制方式無需輸出濾波器，可降低成本，并可向2.1聲道系統中的低音揚聲器提供足夠的7W功率。MAX9737具有90%的效率，無需散熱器。另外，其擴譜調制模式允許器件在使用1m揚聲器電纜時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用戶評估(EV)板在粉紅噪聲輸入以及1m揚聲器電纜條件下的CE輻射掃描圖。)
圖2. 使用1m揚聲器電纜時的MAX9737無濾波EMI測量
衛星揚聲器和低音揚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高通濾波器用于衛星揚聲器濾波，在MAX9737的輸入端接一個帶通濾波器用于低音揚聲器濾波。圖3中的運算放大器構成了2階多反饋高通濾波器，置于MAX9791之前，以驅動衛星揚聲器。
圖3. 用于衛星揚聲器的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如下所示：
從而：
進行替換后：
其中，f0是高通濾波器的3dB滾降點；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，需要一個電阻R來降低濾波器電路產生的容性負載，建議R = 470Ω。本設計中，運算放大器采用一個5V單電源供電，因而需要將其偏置到一個直流電壓。建議偏置電壓取2.5V，以實現最大的電壓擺幅，本例中使用來自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MAX4234運算放大器進行緩沖(見圖11)。如果MAX4234運算放大器采用雙電源供電，則VREF應為地電位。
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采用不同值時的仿真結果。單位增益時，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果
對于低音揚聲器，應使用帶通濾波器。需要兩個運算放大器以構成一個低通濾波器和一個高通濾波器，用于帶通濾波。對低音揚聲器使用帶通濾波器，這是因為典型計算機設計中的低音揚聲器體積過小，無法重建80Hz至100Hz以下的波形。本例中，帶通濾波器將低音揚聲器的響應頻率限制在100Hz至500Hz之間。
圖6給出了帶通濾波器電路，由MAX9737的輸入運放組成的高通濾波器和外部運放組成的低通濾波器構成。
圖6. MAX9737的帶通濾波器
圖6中的低通濾波器的傳輸函數如下所示：
從而：
進行替換后：
圖7給出了構建響應頻率為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放構成，f0 = 500Hz，具有單位增益。高通濾波器由MAX9737的內部運放構成，f0 = 100Hz，具有單位增益。圖8給出了圖7設計電路的仿真結果。
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果
下面的圖9給出了圖7所示電路的仿真結果，通過改變R2的取值說明如何調節帶通濾波器中的低通濾波器部分。
圖9. 改變R2調節低通濾波器的仿真結果
下面的圖10給出了圖7所示電路的仿真結果，通過改變C3、C4和C5的取值說明如何調節帶通濾波器中的高通濾波器部分。
圖10. 改變C3、C4和C5調節高通濾波器的仿真結果
圖11給出了電路音頻部分完整的電路連接原理圖，其中包括用于衛星揚聲器的高通濾波器和放大器以及用于低音揚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運算放大器采用5V單電源供電，因此需要一個偏置電壓。MAX4234的偏置電壓取自MAX9737內部的偏置電壓，并通過一個配置為單位增益緩沖器的運放進行驅動。
圖11. 音頻電路圖
結論
MAX9791為運行Windows Vista操作系統的便攜式計算機提供完全集成的音頻解決方案。MAX9737提供高效、大輸出功率，可完全驅動便攜式2.1聲道系統中的低音揚聲器。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，無需DC-DC轉換器。這種寬電源電壓范圍特性是MAX9737的一個獨特的優勢。 |
