Marko Kannisto, Maxim Integrated
Application Note 5147
Представьте, что погода теплая, и хочется, сидя на открытом воздухе, поболтать с друзьями. Хорошо бы, чтобы при этом еще звучала фоновая музыка, но что будет ее источником?
Обычно люди, которым потребовалась портативная музыка, приобретают аудио устройства с батарейным питанием. Конечно же, вы можете купить звуковоспроизводящую систему для уличного использования, но она может оказаться весьма дорогой и, как мы покажем ниже, ненужной. При наличии лишь капли инженерной крови (или любопытства) в ваших венах совсем несложно сделать беспроводную Bluetooth стерео аудио систему, управляемую от любого устройства, к которому можно подключить Bluetooth и музыкальный плеер. В этой статье рассказывается, как сделать простую и довольно недорогую беспроводную Bluetooth стерео аудио систему для использования на открытом воздухе. Выходная мощность системы равна 20 Вт с.к.з. Для управления может использоваться либо гарнитура, допускающая подключение Bluetooth и музыкального плеера, либо Apple iPod. В конце статьи в трех приложениях обсуждаются дополнительные вопросы, касающиеся размещения элементов устройства, различий в подходах к конструированию усилителей классов D и AB и стоимости системы.
Основы Bluetooth
Технология Bluetooth была разработана в 1994 году и в настоящее время широко используется для беспроводной связи на короткие расстояния между двумя портативными мобильными устройствами. В частности, Bluetooth позволяет вам предавать стерео аудио сигнал от портативного устройства к беспроводным наушникам. Современные Bluetooth наушники поддерживают спецификацию Bluetooth Class 2 и имеют выходную мощность передатчика 2.5 мВт (4 дБм). Дальность передачи для модулей Bluetooth Class 2 составляет приблизительно 10 метров.
Объединение элементов Bluetooth аудио системы
В Bluetooth наушниках обычно используются малогабаритные динамики сопротивлением 32 Ом. Подключив аудио сигнал от Bluetooth гарнитуры к внешнему усилителю, сигнал можно усилить. После этого Bluetooth стерео гарнитура работает как мост между портативным источником аудио сигнала и стерео усилителем, образуя, таким образом, стерео аудио систему.
Блок схема описываемой системы изображена на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Блок схема беспроводной Bluetooth стерео аудио системы. |
Эта система основана на стерео усилителе класса D, к которому подключена пара громкоговорителей с сопротивлением 4 Ом.
Расчет выходной мощности
Требуемая выходная мощность должна равняться 20 Вт с.к.з. (10 Вт с.к.з. на канал). Следует отметить, что измерение среднеквадратичного значения выходной мощности нельзя назвать оптимальным способом определения выходной мощности усилителя; с.к.з. очень многого не говорит об истинных характеристиках усилителя. По этой причине в данной статье среднеквадратичное значение выходной мощности будет фактически относиться к средней мощности синусоидального сигнала на резистивной нагрузке. Понятие среднеквадратичного значения выходной мощности используется в основном для удобства сравнения.
20 Вт с.к.з. соответствуют 40 Вт пиковой выходной мощности. Чтобы получить 10 Вт с.к.з. на канал при сопротивлении динамиков 4 Ом, минимальное напряжение питания V должно быть равно
где
POUT – выходная мощность (среднеквадратичное значение),
RSP – сопротивление динамика.
Для пикового выходного напряжения VP это выражение превращается в
Из приведенных выше формул видно, что для получения 10 Вт с.к.з. на канал будет достаточно 9-вольтового источника питания. Однако в этой схеме используется напряжение питания 12 В, чтобы иметь некоторый запас по выходному напряжению источника питания, неизбежно проседающему при большой нагрузке.
В качестве изолированного источника питания с выходным напряжением 12 В удобно использовать недорогой драйвер светодиодов, предназначенный для стабилизации напряжения. Эти источники легко найти в любом магазине электроники.
Отметим, и это важно понимать, что слова «общая выходная мощность 20 Вт с.к.з.» большинству людей не говорят ни о чем. Для сравнения, представьте себе дешевые автомобильные аудио усилители или недорогие бумбоксы. Очень часто они рекламируются как устройства, обеспечивающие общую выходную мощность 40 Вт с.к.з., но, как правило, на самом деле речь идет о пиковой мощности, которая переводится в 20 Вт с.к.з.
Вы можете спросить, наконец, действительно ли 20 Вт с.к.з. – это мощность, которой достаточно для работы нашей системы? Да. В недорогих автомобильных аудио усилителях обычно не бывает повышающих DC/DC преобразователей, и они работают от аккумулятора автомобиля. (Реальное напряжение на аккумуляторной батарее автомобиля равно примерно 13.8 В, однако здесь это не имеет значения). Послушайте такие недорогие усилители – они производят много звука. Правда, нужно признать, что выходной мощности 20 Вт с.к.з. не хватит, чтобы разбудить все окрестности, но для нашей системы это не главное.
Выбор Bluetooth наушников, выключателя и светодиодов
Вы можете воспользоваться любыми наушниками с аудио разъемом 3.5 мм. Для предлагаемой конструкции была выбрана Bluetooth стерео гарнитура Nokia BH-214. Гарнитура имеет 3.5-миллиметровый аудио разъем, что позволяет очень легко вывести через него сигналы с печатной платы на стерео усилитель.
Потребуются еще выключатель и индикаторные светодиоды. Сигналы к ним надо будет вывести с печатной платы гарнитуры.
Доработка наушников Nokia BH-214
Наушники Nokia необходимо доработать. В связи с тем, что некоторые сигналы можно взять только непосредственно с печатной платы устройства, для управления передачей сигналов придется припаять к плате несколько проводов. Как это делается, показано на Рисунках 2…6.
Поверите гарнитуру передней крышкой к себе и откройте ее, аккуратно поддевая маленькой отверткой по углам, сверху и снизу. Снимите пластиковую накладку и выньте резиновую клавиатуру. Осторожно извлеките часть с печатной платой из нижней части корпуса.
При открытой передней крышке слегка расширьте паз для вывода проводов из области, обведенной кружком на Рисунке 2. Удалите также светопровод и пластиковый колпачок выключателя.
 |
|
| Рисунок 2. | Передняя крышка гарнитуры, вид изнутри. |
Руководствуясь Рисунком 3, отпаяйте выключатель (1), двухцветный светодиод (2), синий светодиод (3) и провода аккумулятора (4). Снимите аккумулятор с печатной платы.
 |
|
| Рисунок 3. | Печатная плата гарнитуры. |
Теперь припаяйте провода к контактам выключателя (1) так, как это показано стрелкой на Рисунке 3. Затем припаяйте провода к выводу общего анода двухцветного светодиода (2) и анодному выводу синего светодиода (3). Наконец, припаяйте провода к контактам аккумулятора (4).
Воспользуйтесь самыми тонкими проводами, какие вам удастся найти и, чтобы не запутаться впоследствии, запишите их цвета.
Остались еще три провода (Рисунок 4), которые нужно припаять к гарнитуре.
|
|||
| Рисунок 4. | Места припайки проводов для подключения светодиодов (справа); то же в увеличенном виде (слева). |
||
Припаяйте катод зеленого светодиода (5), катод красного светодиода (6) и катод синего светодиода (7) к резисторам так, как это показано на Рисунке 4. Теперь мы имеем провода для следующих сигналов:
- Два провода для выключателя Bluetooth гарнитуры
- Три провода для двухцветного светодиода (общий анод, катод зеленого светодиода и катод красного)
- Два провода для синего светодиода (анод и катод)
- Два провода к выводам аккумулятора (3.6 В от LDO стабилизатора)
 |
|
| Рисунок 5. | Доработанная гарнитура со снятой крышкой. |
После того, как все провода будут припаяны к печатной плате, аккуратно соберите гарнитуру обратно. Закрывайте корпус с большой осторожностью, чтобы не оторвать контактные площадки от печатной платы. После доработок гарнитура будет выглядеть так, как показано на Рисунке 5.
Изучение платы аудио стерео усилителя
В описываемой конструкции (Рисунок 6) используется стерео аудио усилитель класса D типа MAX98400A. (В Приложении 2 обсуждается, почему в данной схеме предпочтительнее использовать усилитель класса D, а не линейный усилитель класса AB). Этот усилитель имеет высокое отношение сигнал/шум, равное 107 дБ. Громкоговорители можно подключать непосредственно к выходам усилителя без выходных фильтров и громоздких блокировочных конденсаторов. Последний пункт очень важен. Обычным усилителям класса D для восстановления аудио сигнала нужны выходные фильтры. MAX98400A для выделения аудио компоненты из выходных прямоугольных импульсов использует собственную индуктивность катушки динамика. Исключение из схемы выходного фильтра и блокировочных конденсаторов, защищающих динамики от постоянной составляющей тока, экономит на печатной плате значительную площадь.
 |
|
| Рисунок 6. | Принципиальная схема платы стерео аудио усилителя. |
В стерео усилителе используется линейный LDO стабилизатор напряжения MAX16910, вырабатывающий напряжение 3.6 В из входного напряжения 12 В. Выход стабилизатора соединен с контактами аккумулятора гарнитуры. Выходное напряжение LDO стабилизатора можно выбрать в диапазоне между 3.4 В и 4.2 В. MAX16910 с максимальным входным напряжением 30 В и встроенной защитой от перегрева и перегрузки как нельзя лучше подходит для нашего приложения. Если сопротивления резисторов R1 и R2 соответствуют значениям, указанным на Рисунке 6, выходное напряжение стабилизатора будет равно приблизительно 3.8 В; для питания гарнитуры это идеально.
Из Рисунка 6 видно, что для работы усилителя MAX98400A требуется несколько внешних компонентов. Коэффициент усиления выбирается переключателями SV1 и SV2; его максимальное значение GMAX равно 32.9 дБ, что соответствует 44.2 В/В:
Коэффициент усиления будет максимальным, когда контакты SV1 разомкнуты, а выводы 1 и 2 SV2 соединены вместе (Таблица 1).
| Таблица 1. | Установки коэффициентов усиления стерео аудио усилителя MAX98400A. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Поэтому при напряжении питания 12 В и коэффициенте усиления 44.2 В/В максимальный входной сигнал, который пройдет на выход без ограничения и искажений, равен
В усилитель интегрирована цепь, защищающая выход от искажений, вызываемых ограничением сигнала. Это очень удобно, так как без цепи защиты при максимальном усилении было бы необходимо каким-то образом заботиться о том, чтобы максимальное напряжение на выходе гарнитуры не превышало 270 мВ, и сигнал не искажался при громкости, установленной на максимальный уровень. В микросхеме MAX98400A предусмотрен также альтернативный способ снижения усиления выбором различных комбинаций напряжений на специальных выводах SV1 и SV2.
Материалы по теме
Купить MAX98400A на РадиоЛоцман.Цены
