Odbiorcy: Niniejszy przewodnik jest przeznaczony dla inżynierów sprzętu, inżynierów audio DSP oraz menedżerów programów OEM, którzy muszą ocenić podsystem wzmacniacza audio i głośnika w danym SKU długopisu czytającego. Dodatkowymi odbiorcami są inżynierowie ds. zgodności, walidujący zachowanie EMI wzmacniacza na potrzeby homologacji CE-RED i FCC Part 15 Subpart B, a także inżynierowie akustycy dostrajający obudowę głośnika pod kątem konkretnej grupy wiekowej dzieci.
Włoski partner OEM zadzwonił w styczniu 2026 r., pytając, dlaczego jego długopis czytający pod marką własną brzmiał „płasko i ostro” w porównaniu z długopisem konkurencji. Przyczyną nie był ani głośnik, ani wzmacniacz — była nią obudowa głośnika. Wewnętrzna komora długopisu za głośnikiem miała 1,2 cm³, ale port przedni miał zaledwie 0,4 mm średnicy. W efekcie powstała rezonans Helmholtza przy 4,8 kHz, co wzmocniło pasmo spółgłosek 4–6 kHz o 6 dB i sprawiło, że długopis brzmiał ostro na sybilantach i friktywach. Rozwiązaniem było powiększenie portu przedniego do 0,9 mm oraz dodanie 2 mm filcowego pierścienia tłumiącego wokół krawędzi portu, co obniżyło szczyt rezonansu z 6 dB do 2 dB i przesunęło go w dół do 3,6 kHz. Incydent kosztował OEM 5 tygodni przeróbek oprzyrządowania oraz około 7 500 USD modyfikacji form. Niniejszy artykuł omawia każdy wzmacniacz audio, który dostarczamy w naszych jedenastu SKU długopisów czytających (B1, B2, F8, K7, KF1, L5, P2, Q6, Q8, T2, Y6), strojenie głośnika i obudowy w każdym z nich, strategie ograniczania EMI oraz reguły projektowe decydujące o tym, czy długopis czytający brzmi przyjemnie dla ucha czterolatka.
1. Topologie wzmacniaczy audio w katalogu długopisów czytających
W ramach jedenastu SKU dostarczamy trzy topologie wzmacniaczy audio: (a) Class-AB w segmencie ekonomicznym (B1, B2, P2), (b) Class-D mono w segmencie średnim (F8, K7, KF1, Q6, Q8, Y6) oraz (c) Class-D mono z przetwornicą boost w segmencie premium (L5, T2). Class-AB zapewnia akceptowalną jakość dźwięku, lecz przy niskiej sprawności; Class-D zapewnia wyższą sprawność kosztem EMI; przetwornica boost w L5 i T2 podnosi napięcie zasilania do 6,5 V, aby uzyskać wyższą szczytową moc wyjściową dostarczaną do głośnika 16 Ω.
Wzmacniacze Class-AB w modelach B1, B2 i P2 dostarczają 250 mW do 8 Ω przy zasilaniu 3,3 V ze sprawnością 38%. Wzmacniacze Class-D w modelach F8, K7, KF1, Q6, Q8 i Y6 dostarczają 380 mW do 8 Ω przy zasilaniu 3,7 V ze sprawnością 78%. Wzmacniacz Class-D zasilany przez boost w modelach L5 i T2 dostarcza 700 mW mocy szczytowej do 16 Ω przy 6,5 V ze sprawnością 82%.
| SKU | Klasa wzmacniacza | Moc wyjściowa | Ω głośnika | Sprawność | Moc w stanie jałowym |
|---|---|---|---|---|---|
| B1 | Class-AB | 250 mW | 8 Ω | 38% | 9 mA |
| B2 | Class-AB | 250 mW | 8 Ω | 38% | 9 mA |
| F8 | Class-D | 380 mW | 8 Ω | 78% | 3 mA |
| K7 | Class-D | 380 mW | 16 Ω | 82% | 2,4 mA |
| KF1 | Class-D | 380 mW | 16 Ω | 82% | 2,4 mA |
| L5 | Class-D + boost | 700 mW szczyt. | 16 Ω | 82% | 2,2 mA |
| P2 | Class-AB | 200 mW | 8 Ω | 36% | 10 mA |
| Q6 | Class-D | 380 mW | 16 Ω | 82% | 2,3 mA |
| Q8 | Class-D | 380 mW | 16 Ω | 82% | 2.3 mA |
| T2 | Class-D + boost | 700 mW peak | 16 Ω | 82% | 2.0 mA |
| Y6 | Class-D | 380 mW | 16 Ω | 82% | 2.1 mA |
2. Dlaczego Class-D w ośmiu z jedenastu SKU
Pojedynczym najważniejszym powodem, dla którego stosujemy Class-D w średniej i premium półce, jest sprawność. Wzmacniacz Class-AB dostarczający 250 mW do 8 Ω przy 3.3 V pobiera z akumulatora 200 mA, z czego 125 mA jest tracone jako ciepło. Wzmacniacz Class-D dostarczający 380 mW do 8 Ω przy 3.7 V pobiera z akumulatora 130 mA, z czego tylko 28 mA jest tracone jako ciepło. Różnica 72 mA, utrzymywana przez 60-minutową sesję z audiobookiem, pozwala zaoszczędzić 72 mAh na sesję — to około 9% ogniwa B2 i 6% ogniwa K7.
Kompromisem jest EMI. Wzmacniacze Class-D generują węzeł przełączania wysokiej częstotliwości (zwykle 250 kHz do 2 MHz), który promieniuje harmonicznymi w paśmie radiowym AM, paśmie telewizyjnym VHF oraz w pasmach komórkowych. EMI musi być zamknięte wewnątrz obudowy pisaka i kabla głośnika, aby uniknąć niezaliczania CE-RED oraz FCC Part 15 Subpart B.
Ograniczamy EMI dzięki czterowarstwowemu layoutowi PCB (węzeł przełączania znajduje się na warstwie 1 z ciągłą masą na warstwie 2 bezpośrednio pod nim), ekranowanemu induktorowi mocy w przetworniku boost (tylko L5, T2), koralikowi ferrytowemu na linii wyjściowej głośnika oraz 4-warstwowemu kablowi flex do głośnika z warstwą masy na warstwie 2. Efektem jest to, że każdy SKU Class-D przechodzi EN 55032 Class B z marginesem 6 dB już na pierwszej prototypowej rewizji.
3. Schemat modulacji Class-D: modulacja BD vs 1-bit
Wzmacniacze Class-D w F8, K7, KF1, Q6, Q8 i Y6 wykorzystują tradycyjną modulację BD (Bridge-Tied Load) z nośną trójkątną 250 kHz. Fala trójkątna jest porównywana z wejściem audio, a wyjście komparatora steruje mostkiem H. To sprawdzony schemat modulacji z 40-letnim dorobkiem branżowym i stanowi najtańszą implementację.
Wzmacniacze Class-D w L5 i T2 wykorzystują modulację 1-bit (PDM) z częstotliwością przełączania 2 MHz. Schemat 1-bit ma niższy pobór mocy w spoczynku (2.2 mA wobec 2.4 mA), niższe EMI (wyższa częstotliwość przełączania wypycha harmoniczne poza pasmo AM) oraz niższe THD+N (0.02% wobec 0.05%). Kompromisem jest nieco droższy układ scalony wzmacniacza ($0.28 wobec $0.18 przy wolumenie 10 tys. sztuk) oraz bardziej zaawansowany filtr LC na wyjściu.
Dla kupujących OEM wybierających między modulacją BD a 1-bit obowiązuje następująca reguła: stosuj 1-bit w każdym SKU, gdzie liczy się jakość dźwięku (półka premium, SKU z zapytaniami głosowymi, SKU edukacji muzycznej), a modulację BD w każdym SKU, gdzie koszt jest ważniejszy niż jakość dźwięku (półka ekonomiczna, SKU wyłącznie do audiobooków).
4. Moc wyjściowa, zapas i zniekształcenia
Pisak czytający nie jest urządzeniem audio o wysokiej wierności. Treść zdominowana jest przez mowę (słownictwo, zdania, piosenki), której współczynnik szczyt-średnia wynosi 12 dB. Wzmacniacz musi dostarczać 4× średniej mocy, aby obsłużyć szczyty bez przesterowania. Dla średniego poziomu odtwarzania 80 dB SPL w odległości 10 cm (typowa odległość odsłuchu) wzmacniacz musi dostarczać około 60 mW ciągle oraz 240 mW w szczycie.
Wzmacniacze Class-D w F8, K7, KF1, Q6, Q8 i Y6 dostarczają 380 mW do 8 Ω lub 16 Ω, co stanowi 6× średniej mocy potrzebnej do odtwarzania 80 dB SPL. Daje nam to 8 dB zapasu powyżej typowego poziomu odtwarzania, co wystarcza, by obsłużyć sporadyczny głośny szczyt w piosence lub głośno wypowiedziane słowo bez słyszalnego przesterowania.
Class-D + boost w L5 i T2 dostarcza 700 mW szczytowo do 16 Ω, czyli 12× średniej potrzebnej mocy. Daje nam to 11 dB zapasu, co wystarcza dla SKU edukacji muzycznej, które odtwarzają nagrania orkiestrowe o współczynniku szczyt-średnia 18 dB.
Ograniczamy maksymalny poziom wyjściowy na poziomie firmware, aby zapobiec wprowadzaniu wzmacniacza w przesterowanie przez użytkownika. Limit firmware wynosi 82 dB SPL w półce ekonomicznej oraz 88 dB SPL w półce premium — oba poniżej limitu narażenia 85 dB SPL zalecanego dla dzieci przez ponad 8 godzin dziennie (wytyczne WHO/UNICEF).
5. Dobór głośnika i strojenie obudowy
Głośnik jest najważniejszym komponentem akustycznym i jednocześnie najbardziej awaryjnym w terenie. W każdym SKU stosujemy głośniki dynamiczne z magnesem neodymowym — o średnicy 13 mm w półce ekonomicznej (B1, B2, P2) oraz 16 mm lub 20 mm w półce średniej i premium.
Magnes neodymowy zapewnia czułość 92 dB przy 1 mW / 10 cm, co jest najwyższą czułością dostępną w głośnikach poniżej 20 mm. Ta wysoka czułość jest ważna, ponieważ pozwala osiągać docelowy poziom odtwarzania 80 dB SPL przy niskiej mocy wejściowej, co oszczędza akumulator.
Obudowa głośnika jest krytyczną częścią projektu akustycznego. W półce ekonomicznej stosujemy obudowę zamkniętą, a w półce średniej i premium obudowę z otworem bass-reflex. Obudowa zamknięta w B1/B2/P2 ma objętość tylną 1.0 cc, co daje Qtc 1.4 (lekko niedotłumiona, lekko basowa). Obudowa z otworem w F8/K7/KF1/Q6/Q8/Y6 ma objętość tylną 1.8 cc i otwór 0.9 mm, co daje rezonans Helmholtza przy 380 Hz z Q 1.0 (krytycznie tłumiony, neutralny bas). Obudowa z otworem w L5/T2 ma objętość tylną 2.4 cc i otwór 1.2 mm, co daje rezonans Helmholtza przy 280 Hz z Q 0.9 (lekko niedotłumiona, lekko cieplejszy bas).
Dla kupujących OEM wprowadzających SKU edukacji muzycznej właściwym wyborem jest obudowa z otworem L5/T2. Dla SKU z audiobookami lub słownictwem wystarczy obudowa z otworem F8/K7/Q6/Q8. Dla budżetowego SKU dla przedszkoli dopuszczalna jest obudowa zamknięta B1/B2/P2.
6. Projekt filtra LC i tłumienie EMI
Każdy wzmacniacz Class-D w naszych SKU wymaga na wyjściu dolnoprzepustowego filtra LC w celu odtworzenia przebiegu audio z przełączania PWM. Filtr jest drugiego rzędu Butterwortha z częstotliwością odcięcia 30 kHz (znacznie powyżej pasma audio 20 kHz, ale znacznie poniżej częstotliwości przełączania 250 kHz do 2 MHz).
Induktor to ekranowany induktor mocy z rdzeniem ferrytowym, dobrany pod kątem niskiej rezystancji DC (DCR) i wysokiego prądu nasycenia. Kondensator to ceramika X7R z 10% deratingiem napięcia, dobrana pod kątem niskiego ESR i stabilności w funkcji temperatury.
W przypadku wzmacniaczy 1-bit PDM w L5 i T2 odcięcie filtra LC wynosi 60 kHz, ponieważ częstotliwość przełączania to 2 MHz. Wyższe odcięcie pozwala na mniejszy induktor (4.7 µH wobec 10 µH) oraz mniejszy kondensator (470 nF wobec 1 µF), co oszczędza powierzchnię płytki.
Mierzymy promieniowane EMI z kabla głośnika w każdej partii produkcyjnej za pomocą sondy bliskiego pola. Trzecia harmoniczna (750 kHz dla BD, 6 MHz dla 1-bit) z największym prawdopodobieństwem przekracza limit EN 55032 Class B. Działaniem mitygującym, w razie potrzeby, jest dodanie dławika trybu wspólnego na kablu głośnika oraz skrócenie kabla poniżej 50 mm.
7. Tłumienie kliknięć i stuknięć
Wzmacniacze Class-D słyną z generowania słyszalnych kliknięć i stuknięć przy włączaniu, wyłączaniu oraz zmianie głośności. Przyczyną jest nagłe ładowanie i rozładowanie wyjściowego filtra LC, co tworzy impuls odtwarzany przez głośnik jako kliknięcie.
Tłumimy kliknięcia i stuknięcia w każdym SKU trzystopniową strategią. Po pierwsze, układ scalony wzmacniacza ma zintegrowany obwód soft-start, który rampuje napięcie wyjściowe z 0 V do napięcia roboczego w ciągu 30 ms. Po drugie, firmware sekwencjonuje sygnały wyciszenia audio i włączenia wzmacniacza tak, aby wzmacniacz był wyciszony przed włączeniem zasilania i odciszony po ustabilizowaniu się wyjścia. Po trzecie, kondensator filtra LC jest wstępnie ładowany do napięcia wspólnego przez ścieżkę o wysokiej impedancji przed włączeniem wzmacniacza.
W naszych testach wewnętrznych poziom kliknięcia i stuknięcia przy włączeniu zasilania jest poniżej 0.5 mV (niesłyszalny) w każdym SKU Class-D. W SKU Class-AB (B1, B2, P2) poziom kliknięcia i stuknięcia jest poniżej 1.0 mV, ponieważ Class-AB ma łagodniejszą charakterystykę włączania.
8. Parametry termiczne i odprowadzanie ciepła
Wzmacniacz Class-D w F8/K7/KF1/Q6/Q8/Y6 rozprasza około 100 mW przy mocy wyjściowej 380 mW do 8 Ω. Ciepło to jest odprowadzane przez odsłonięty pad układu scalonego wzmacniacza do pola miedzianego 6 mm × 6 mm na PCB, działającego jako radiator. Przyrost temperatury powyżej otoczenia wynosi 8 °C przy ciągłej mocy wyjściowej 380 mW.
Class-D zasilany przez boost w L5/T2 rozprasza około 140 mW przy szczytowej mocy wyjściowej 700 mW do 16 Ω. Przyrost temperatury wynosi 11 °C przy ciągłej mocy szczytowej, co jest znacznie poniżej progu termicznego wyłączenia wzmacniacza 150 °C, ale wystarcza, aby dziecko poczuło ciepło po 30 minutach ciągłego odtwarzania przy maksymalnej głośności.
Kupującym OEM wprowadzającym SKU edukacji muzycznej zalecamy ograniczenie maksymalnej mocy ciągłej do 500 mW w L5/T2, aby utrzymać przyrost temperatury powierzchni poniżej 8 °C. Jest to konfigurowalne w firmware.
9. Wpływ wzmacniacza audio na akumulator
Wzmacniacz audio jest jednym z największych konsumentów energii w trybie aktywnego odtwarzania. W F8 (Class-D, 380 mW do 8 Ω) wzmacniacz pobiera 130 mA z akumulatora przy pełnej mocy. W L5 (Class-D + boost, 700 mW szczytowo do 16 Ω) wzmacniacz pobiera 240 mA przy mocy szczytowej, ale tylko 95 mA przy średnim poziomie odtwarzania (ponieważ przetwornik boost jest pomijany podczas cichych fragmentów).
Dla 60-minutowej sesji z audiobookiem przy średnim poziomie odtwarzania wzmacniacz pobiera około 80 mAh w F8, 70 mAh w K7/KF1/Q6/Q8/Y6 oraz 90 mAh w L5/T2. To około 11% ogniwa F8 600 mAh, 8% ogniwa K7 800 mAh oraz 4% ogniwa L5 1,200 mAh. Półka premium jest znacząco bardziej efektywna w przeliczeniu na mAh akumulatora — to jeden z powodów, dla których półka premium oferuje dłuższy czas pracy pomimo wyższej mocy wyjściowej.
10. Co zapytać dostawcę pisaków czytających o wzmacniacz audio
Wzmacniacz audio oraz podsystem głośnika w pisaku czytającym są najbardziej widocznym dla użytkownika komponentem po czujniku OID oraz wyświetlaczu. Poproś o numer katalogowy i kartę katalogową układu scalonego wzmacniacza, numer katalogowy głośnika oraz parametry Thiele-Small, pomiar objętości tylnej obudowy, schemat filtra LC, raport z testu promieniowanego EMI (EN 55032 Class B), benchmark kliknięć i stuknięć oraz krzywą odpowiedzi częstotliwościowej zmierzoną przy 1 mW / 10 cm w komorze bezechowej. Jeśli jakikolwiek element brakuje, deklaracja dotycząca audio jest niesprawdzona.
Wskazówka dla kupującego: Przeprowadź „test spółgłosek” podczas audytu dostawcy. Odtwórz nagranie fonemów „s”, „sz”, „f”, „t”, „k” przez pisak przy 75 dB SPL. Jeśli sybilanty brzmią ostro, a plozywy głucho, strojenie obudowy wymaga poprawy. Dobrze nastrojony pisak powinien odtwarzać każdy fonem czysto i z jednakową głośnością.
FAQ
Powiązane lektury
- Projekt mikrofonu MEMS i redukcji szumów pisaka czytającego
- Zarządzanie zasilaniem czytnika i optymalizacja czasu pracy
- Personalizacja głośnika czytnika
- Bluetooth 5.0 vs 5.2 vs 5.3 w czytnikach
- Lista kontrolna specyfikacji czytnika
- Playbook rozwiązywania problemów z czytnikiem
- Czytniki OEM
- Poproś o wycenę