Revision 1.2: der Verstärker

NeXT Sound Box mini
2. Oktober 2026
PAP-026

Die Sound Box verstärkt mit einem PAM8302A und hat keinen Lastschalter vor ihm. Sie liefert 0,85 W an einen Lautsprecher mit acht Ohm und 1,70 W an einen mit vier. Von den drei Grenzen der USB-Spezifikation, die dieses Board betreffen, hält es zwei ein; die Kapazität an VBUS überschreitet es bewusst.

1. Worauf die Zahlen beruhen

Dieses Dokument beschreibt die Schaltung, nicht ein gebautes Stück. Revision 1.2 ist gezeichnet, geroutet und als Fertigungssatz abgelegt, aber noch nicht gefertigt, also ist hier nichts gemessen. Wo datasheet steht, ist der Wert aus einem Datenblatt abgelesen, wo derived steht, folgt er daraus rechnerisch. Was erst ein bestücktes Board zeigen kann, steht in Abschnitt 9.

Die Bauteildaten kommen aus SBFS036B für den DAC¹ und aus DS41333 Rev 6-2 für den Verstärker². Die Preise und die Verfügbarkeit stammen aus dem Bauteilbestand von JLCPCB, abgefragt am 1. Oktober 2026. Die Werte der Eingangskette sind von Hand gerechnet und mit ngspice gegengerechnet, die Abmessungen und Abstände auf der Platine aus der Boarddatei ausgelesen.

2. Der Verstärker

U2 ist ein PAM8302AASCR von Diodes, ein Klasse-D-Verstärker im MSOP-8-Gehäuse, der ohne Ausgangsfilter direkt auf den Lautsprecher arbeitet. Er verträgt 2,0 bis 5,5 V im empfohlenen Bereich und 6,0 V als absolutes Maximum datasheet. Das ist der entscheidende Punkt bei der Auswahl gewesen, denn ein USB-Bus darf bis 5,25 V führen und der Verstärker hängt unmittelbar daran.

Die Rückkopplung sitzt im Chip. 150 kΩ Rückkopplungswiderstand und 10 kΩ interner Eingangswiderstand ergeben 23,5 dB als höchste Verstärkung. Senken lässt sie sich mit einem äusseren Widerstand vor dem Eingangspin, und das Datenblatt gibt die Formel dazu: Verstärkung gleich 150 kΩ geteilt durch die Summe aus 10 kΩ und diesem Widerstand datasheet. R16 und R17 sind dieser Widerstand und stehen auf 27 kΩ.

Der Abschaltpin heisst /SD und schaltet den Chip bei niedrigem Pegel ab. Er hängt unmittelbar an SSPND des DAC, und das passt ohne Umweg zusammen, weil auch SSPND bei niedrigem Pegel den Ruhezustand meldet. Die Pegel passen mit Abstand: der Verstärker erkennt hoch ab 1,2 V und niedrig bis 0,4 V, der DAC garantiert 2,4 V und 0,4 V bei zwei Milliampere Laststrom datasheet. Ein CMOS-Eingang zieht Mikroampere, also liegt der niedrige Pegel in Wirklichkeit bei wenigen Millivolt. Im Ruhezustand zieht der Verstärker höchstens 1 µA.

Dieselbe Verbindung erledigt noch etwas. Das Datenblatt empfiehlt, /SD erst eine bis hundert Millisekunden nach der Versorgung freizugeben, damit es beim Einschalten nicht knackt. SSPND steigt erst, wenn der DAC am Bus angemeldet ist, und das dauert ein Vielfaches davon. Die Reihenfolge ergibt sich also von selbst.

3. Der Pegel vom DAC bis zum Lautsprecher

Der DAC gibt an VOUTL und VOUTR 0,55 mal seine analoge Versorgung als Spitze-Spitze-Spannung aus. Diese Versorgung erzeugt der Chip selbst und sie liegt zwischen 3,2 und 3,5 V, dazu kommt ein Verstärkungsfehler von bis zu acht Prozent datasheet. Daraus folgt ein Ausgangspegel zwischen 0,5725 und 0,7350 V effektiv, typisch 0,6514 V derived.

Zwischen DAC und Verstärker steht ein passiver Summierer aus R8 und R9, der die beiden Kanäle zu einem zusammenfasst, dahinter der Koppelkondensator C11 und schliesslich R16. Die ganze Kette verstärkt vierfach, und ngspice bestätigt den von Hand gerechneten Wert auf vier Stellen.

Die Verstärkung ist so gewählt, dass auch das ungünstigste Exemplar an acht Ohm nicht übersteuert. Der PAM8302A liefert an acht Ohm und fünf Volt garantiert 1,15 W bei einem Prozent Klirrfaktor und typisch 1,30 W datasheet. Die oberste Zeile der Tabelle bleibt mit 1,080 W unter dem garantierten Wert, und zwar nicht nur unter dem typischen. An vier Ohm gilt das nicht mehr: dort garantiert der Chip 1,80 W und schafft typisch 2,00, sodass ein Exemplar am oberen Rand bei voller Aussteuerung in die Begrenzung läuft.

C11 und C21 stehen auf 220 nF, und das Datenblatt nennt genau diesen Bereich: zwischen 0,1 und 0,22 µF für den Koppelkondensator am Eingang datasheet. Zusammen mit den 37 kΩ dahinter ergibt das eine untere Grenzfrequenz von 19,6 Hz, bei hundert Hertz fehlen noch 0,16 dB derived. Ein grösserer Kondensator brächte nichts, was ein kleiner Lautsprecher wiedergeben könnte. Beide Werte müssen gleich bleiben, damit die zwei Eingangszweige den gleichen Gleichstrompfad haben.

Die Last, die ein DAC-Kanal dabei sieht, liegt bei 75 kΩ. Das Datenblatt verlangt für einen Line-Ausgang mindestens 10 kΩ datasheet.

Wie laut die Box wird, entscheidet das Chassis, und zwar deutlicher als alles, was sich an der Elektronik einstellen lässt. Der Verstärker ist eine Spannungsquelle: er liefert bei voller Aussteuerung 2,605 V an die Klemmen, unabhängig davon, was dort hängt. An acht Ohm sind das 0,85 W, an vier Ohm doppelt so viel und damit drei Dezibel mehr.

Alle vier Hersteller beziehen ihren Kennschalldruck auf ein Watt und einen Meter, die Zahlen sind also unmittelbar vergleichbar datasheet⁴⁵⁶⁷. Die Spalte für einen halben Meter ist der Pegel am Schreibtisch im Freifeld. Zwischen dem leisesten und dem lautesten Chassis liegen neun Dezibel, und keines der vier kommt in die Nähe seiner Belastbarkeit. Der Verstärker ist in jedem Fall die Grenze, und am Chassis liegt der ganze Unterschied.

Ein Chassis mit vier Ohm kostet zweierlei. Das Board zieht dann 423 statt 224 mA, und der Verstärker setzt bei voller Dauerleistung 0,30 statt 0,15 W in Wärme um, was im MSOP-8-Gehäuse 54 statt 27 K Erwärmung bedeutet derived. Bei Musik tritt das nicht ein, weil der Mittelwert um Grössenordnungen darunter liegt. Bei einem Dauerton auf voller Lautstärke greift irgendwann die Übertemperaturabschaltung, die ab 120 °C Sperrschichttemperatur auslöst datasheet.

An der Platine ändert sich für vier Ohm nichts. Die Leiterbahnen tragen es: die Audio-Klasse mit 0,4 mm erlaubt nach IPC-2221 1,23 A, und an vier Ohm fliessen 0,65 A derived.

4. Was den Lastschalter ersetzt

Ein Lastschalter vor dem Verstärker hätte drei Aufgaben: die Verstärkerversorgung im Ruhezustand abzuwerfen, den Einschaltstrom der Kondensatoren zu begrenzen und den Strom nach oben zu deckeln. Der PAM8302A erledigt die erste mit seinem eigenen Abschaltpin und die dritte mit seiner eingebauten Kurzschluss-, Übertemperatur- und Unterspannungsabschaltung, die sich alle von selbst wieder lösen datasheet. Die zweite betrifft die Kapazität an VBUS, und dazu steht alles in Abschnitt 6.

Damit spart das Board ein Bauteil, das bei JLCPCB als Extended geführt wird und deshalb nicht nur 0,538 USD je Stück kostet, sondern einmal je Bestellung eine Rüstgebühr auslöst.

R15 bleibt deswegen wichtig. Er zieht SSPND nach Masse und hält damit /SD niedrig, solange der DAC stromlos ist. Das ist beim Beschreiben des Speicherbausteins der Fall, bei dem die Platine über J1 mit 3,3 Volt versorgt wird und über den Regler etwa 2,6 V auf die Fünf-Volt-Schiene zurückspeist. Der Verstärker läuft bei dieser Spannung an, denn seine Unterspannungsabschaltung löst erst unter 2,1 V aus datasheet. Ohne R15 wäre sein Abschaltpin dabei offen.

5. Versorgung, Entkopplung und Entstörung

Das Datenblatt verlangt an der Versorgung des Verstärkers zwei Kondensatoren mit verschiedenen Aufgaben: einen Keramikkondensator von einem Mikrofarad so nah wie möglich am Versorgungspin für die schnellen Spitzen, und zehn Mikrofarad oder mehr in der Nähe für den langsamen Anteil datasheet. C23 ist der erste und C22 der zweite.

Dieser Vorrat ist nicht Beiwerk. Der Verstärker entnimmt seinen Strom im Takt von 250 kHz aus derselben Schiene, aus der auch der DAC seine internen Regler speist, und diese Regler setzen den analogen Ausgangspegel. Ohne lokalen Vorrat würde der Verstärker die Spannung bewegen, die seinen eigenen Eingangspegel bestimmt.

Am VBUS-Pin des DAC steht C1 mit 2,2 µF in 6,09 mm Entfernung derived. Das ist für diesen Pin der richtige Partner, denn bei 250 Kilohertz hat ein Mikrofarad-Kondensator eine zehnfach niedrigere Impedanz als ein Hundert-Nanofarad-Typ, und die paar Millimeter Leitung dazwischen fallen bei dieser Frequenz nicht ins Gewicht.

L2 und L3 sitzen in den beiden Lautsprecherleitungen zwischen dem Verstärker und der Buchse. Es sind Ferrite mit 120 Ω bei hundert Megahertz, 2 A Nennstrom und 50 mΩ Gleichstromwiderstand. Das Datenblatt verlangt sie für die meisten Anwendungen und zeigt die Schaltung dazu datasheet. Ein filterloser Klasse-D-Verstärker legt seine Rechteckflanken unmittelbar auf die Lautsprecherleitung, und die verlässt hier die Platine, wo sie als Antenne wirkt. Die Ferrite dämpfen ab etwa einem Megahertz und lassen das Audiosignal unberührt, denn ihre 50 mΩ stehen gegen vier Ohm Last.

6. Die drei USB-Grenzen

Das Board meldet sich als busgespeistes Gerät mit voller Stromaufnahme an, also mit 500 mA im Deskriptor. Damit gelten drei Zahlen: der Strom im Betrieb, der Strom im Ruhezustand und die Kapazität an VBUS.

Die Stromangaben gelten für volle Aussteuerung mit einem Dauerton und für ein Board aus typischen Bauteilen. Der Verstärker setzt dabei 85 % der aufgenommenen Leistung in Schallleistung um, der DAC zieht 23 mA und die Leuchtdiode etwa ein Milliampere datasheet. An acht Ohm kommen so 224 mA zusammen, an vier Ohm 423 mA. Ein Board, bei dem jede Toleranz ungünstig steht, zieht an acht Ohm 303 mA und an vier Ohm 573 mA derived. Der letzte Fall liegt über der Grenze, verlangt aber gleichzeitig volle Aussteuerung, den höchsten DAC-Pegel und den schlechtesten Wirkungsgrad, und bei dieser Aussteuerung begrenzt der Verstärker an vier Ohm ohnehin schon.

Der Ruhestrom ist in Tabelle 4 aufgeschlüsselt, weil er sich nicht aus einem einzigen Bauteil ergibt. Die Spezifikation verlangt ausdrücklich, dass der Strom durch die Abschlusswiderstände des Busses mitzählt⁸.

Weder die Leuchtdiode noch der Verstärker stehen in dieser Tabelle. Der Verstärker fällt auf ein Mikroampere, sobald sein Abschaltpin niedrig liegt, und die Leuchtdiode hängt am selben Signal: Q1 schaltet sie, und SSPND steuert dessen Basis über R23. Im Ruhezustand ist sie dunkel. Übrig bleiben die beiden Abschlusswiderstände des Busses und der DAC selbst, und das ist ein Fünftel dessen, was erlaubt wäre.

Damit sagt die Leuchtdiode etwas Brauchbares: sie leuchtet, wenn der Rechner das Gerät angemeldet hat und der Bus läuft. Sie bleibt dunkel, wenn das Kabel steckt und die Anmeldung scheitert, und das ist genau der Fall, den man sucht, wenn nichts zu hören ist.

Die Kapazität an VBUS ist die eine Grenze, die das Board bewusst überschreitet. Erlaubt sind zehn Mikrofarad, vorhanden sind 27,1, wobei jeder Kondensator hinter einem Regler mit seiner eigenen Spannung geteilt durch fünf Volt zählt derived. Die Aufschlüsselung steht in Anhang B. Unmittelbar an der Busleitung hängen davon 14,4 µF.

Die Grenze schützt den Gastgeber vor dem Stromstoss beim Anstecken. Die Spezifikation formuliert sie als Lastmodell, nämlich zehn Mikrofarad parallel zu 44 Ohm, und begründet sie mit dem erlaubten Spannungseinbruch am Hub von 330 Millivolt³. Wer mehr Kapazität braucht, soll nach demselben Abschnitt eine Strombegrenzung einbauen, die sich wie dieses Modell verhält.

Dieses Board tut das nicht, und zwar aus zwei Gründen. Der eine ist der Gastgeber: ein Raspberry Pi 5 stellt mit dem offiziellen Netzteil 1,6 A für alle Anschlüsse zusammen bereit⁹, und derselbe Abschnitt der Spezifikation verlangt von jedem Hub mindestens 120 µF eigenen Vorrat, also mehr als das Vierfache dessen, was hier geladen werden muss. Die Ladung, um 27 µF auf fünf Volt zu bringen, beträgt 135 µC. Der andere Grund ist der Preis einer Strombegrenzung: sie liegt in Reihe zur Versorgung und kostet dauerhaft Spannung, und die Ausgangsleistung hängt vom Quadrat eben dieser Spannung ab.

7. Was das Board kostet

Der Verstärker kostet 0,319 USD. Der Lastschalter mit 0,538 und acht Kondensatoren und Widerstände mit zusammen rund 0,30 entfallen, und der vorher eingesetzte Verstärker kostete 3,008. Dagegen stehen zwei Ferrite, der Transistor Q1 mit 0,011, sein Basiswiderstand und die geänderten Werte einiger Widerstände und Kondensatoren. Zusammen bleiben die unter 0,10 USD, denn alle sind Basic Parts und lösen keine weitere Rüstgebühr aus.

Unterm Strich sind das mindestens 3,40 USD je Board weniger als in der Fassung davor, bei fünf Boards also rund 16 EUR. Dazu kommt eine Rüstgebühr von etwa 3,30 EUR, die einmal je Bestellung anfällt und mit dem Lastschalter entfällt. Vier Bauteile bleiben Extended: der DAC, der Verstärker, die USB-C-Buchse und der Schutzbaustein.

Bei fünf Boards landet der Preis damit bei rund 20 EUR je Stück, Zoll und Versand eingerechnet. Mehr ist bei dieser Stückzahl nicht herauszuholen, weil über die Hälfte des Preises aus festen Posten besteht.

8. Was auf der Platine steht

Die Platine misst 75,05 mal 30,05 mm und hat zwei Kupferlagen. Die Angaben in der Spalte Feld sind Planquadrate des Rasters, das das GridRef-Plugin über die Platine legt.

Die Statusanzeige sitzt daneben an der Unterkante und besteht aus vier Teilen: R1 mit 2,2 kΩ im Feld K10, LED1 in K11, der Transistor Q1 in K12 und sein Basiswiderstand R23 mit 27 kΩ in L12. Dort läuft SSPND ohnehin vorbei, sodass keine Leitung quer über die Platine nötig ist.

Die Netzklassen sind GND, Power und Power3V3 mit 0,35 mm, Audio mit 0,4 mm, USB mit 0,25 mm und Default mit 0,2 mm. Die beiden Verstärkerausgänge liegen in der Audio-Klasse, vom Chip bis zur Buchse durchgehend 0,4 mm breit.

Elf Prüfpunkte sind bestückungsfrei auf das Board gesetzt, darunter TP10 für die interne Versorgung des DAC und TP11 und TP12 für dessen beide Ausgänge. Sie stehen zusammen mit H1 weder in der Stückliste noch in der Bestückungsdatei.

9. Was daraus nicht folgt

Die Zahlen oben sind gerechnet und beschreiben ein Board, das es noch nicht gibt. Sie sagen, dass die Schaltung in jeden Grenzfall passt, den die Datenblätter aufspannen. Sie sagen nicht, wie die Box klingt.

Drei Dinge zeigt erst ein gebautes Stück. Ob der Übergang von Ruhe auf Betrieb hörbar knackt, hängt davon ab, wie der Chip seine Eingänge im abgeschalteten Zustand vorspannt, und das steht in keinem Datenblatt. Ob die hochohmige Leitung zwischen Summierer und Verstärker Störungen des Klasse-D-Ausgangs aufnimmt, hängt an der Leitungsführung. Und ob ein Watt für den Lautsprecher im gedruckten Gehäuse genug ist, ist eine Frage an das Ohr und nicht an die Rechnung.

Die Angaben zum Wirkungsgrad sind der schwächste Punkt der Stromrechnung. Das Datenblatt nennt 85 % als typischen Höchstwert über den ganzen Aussteuerbereich, nicht als Wert bei voller Aussteuerung, und eine Kurve für genau diese Last und diesen Pegel gibt es dort nicht. Die Ströme in Tabelle 3 sind damit auf wenige Prozent genau und nicht besser.

Quellennachweis

Elf Quellen, in der Reihenfolge ihres Auftretens.

1. Texas Instruments (2015): PCM2704C, PCM2705C, PCM2706C, PCM2707C. Stereo Audio DAC With USB Interface, Single-Ended Headphone Output And S/PDIF Output. SBFS036B, Mai 2015, überarbeitet August 2015. Volltext gelesen Quelle↩
2. Diodes Incorporated (2021): PAM8302A. 2.5W Filterless Class-D Mono Audio Amplifier. Dokument DS41333 Rev. 6-2, Mai 2021. Volltext gelesen Quelle↩
3. USB Implementers Forum (2000): Universal Serial Bus Specification Revision 2.0. Abschnitt 7.2.2 für das Spannungsbudget und Abschnitt 7.2.4.1 für Einschaltstrom und Kapazität. Volltext gelesen Quelle↩↩
4. VISATON GmbH & Co. KG: BF 37. Breitband-Lautsprecher 37 mm. Datenblatt zur Artikelnummer 2261, Zeichnung vom 5. Oktober 2018. Volltext gelesen Quelle↩
5. VISATON GmbH & Co. KG: FR 58. Breitband-Lautsprecher 58 mm. Datenblatt zu den Artikelnummern 2204 und 2205. Volltext gelesen Quelle↩
6. Tectonic Elements: TEBM28C10-4/A. Miniature BMR Driver Data Sheet. Dokument DS-TEBM28C10-4/A, Revision 1.9. Volltext gelesen Quelle↩
7. Tectonic Elements: TEBM35C10-4. Miniature BMR Driver Data Sheet. Dokument DS-TEBM35C10-4, Revision 1.0. Volltext gelesen Quelle↩
8. USB Implementers Forum: USB Engineering Change Notice: Suspend Current Limit Changes. Hebt den Ruhestrom für alle Geräte auf 2,5 mA und verlangt, den Strom durch die Abschlusswiderstände mitzurechnen. Volltext gelesen Quelle↩
9. Raspberry Pi Ltd: USB Power Delivery on Raspberry Pi 5. Whitepaper RP-009856-WP-1. Volltext gelesen Quelle↩
10. USB Implementers Forum (2026): USB Type-C Cable and Connector Specification Release 2.5. Der Widerstand Rp mit 56 kΩ im Stecker eines Kabels von USB-A auf USB-C. Volltext gelesen Quelle↩
11. LCSC Electronics: KT-0805G, Hubei KENTO Electronics. Artikel C2297, Durchlassspannung 2,6 bis 3,1 V bei 5 mA. Volltext gelesen Quelle↩

a = 1000 + 22        = 1022 Ω      ein Summiererzweig
b = 27000 + 10000    = 37000 Ω     ein Eingangszweig
V = 2 · 150000 · V_dac / (a + 2b)  = 3,9988 · V_dac