耳機放大器設計手冊

第 1章 耳機放大器的背景知識 1
1．1　認識耳機　1
1．1．1　耳機中的電聲轉(zhuǎn)換器　1
1．1．2　耳機的特性　8
1．1．3　耳機的品牌和產(chǎn)地　31
1．2　認識耳機放大器　35
1．2．1　耳機放大器的特性　35
1．2．2　耳機放大器的電路結(jié)構(gòu)　37
1．2．3　耳機放大器的性能指標　38
第　2章 耳機放大器的設計方法　41
2．1　電子系統(tǒng)　41
2．1．1　電子系統(tǒng)的特征　41
2．1．2　電子系統(tǒng)設計方法　42
2．1．3　耳機放大器是什么規(guī)模的電子系統(tǒng)？　42
2．2　音頻信號的特性　44
2．2．1　認識聲音　44
2．2．2　音頻信號的數(shù)字化　53
2．3　耳機放大器的設計原則　70
2．3．1　物理原則　70
2．3．2　聲壓級原則　74
2．3．3　增益原則　76
2．3．4　高保真原則　79
2．4　耳機放大器的設計方法　82
2．4．1　選擇拓撲結(jié)構(gòu)　82
2．4．2　穩(wěn)定性補償方法和優(yōu)化　102
2．5　電路的傳統(tǒng)設計方法和工具　112
2．5．1　電路的傳統(tǒng)設計方法　112
2．5．2　電路的傳統(tǒng)設計工具　114
2．6　電路的EDA設計方法和工具　123
2．6．1　設計和仿真工具SPICE　123
2．6．2　建模和計算工具MATLAB　132
第3章　集成電路耳機放大器　138
3．1　集成耳機放大器的概況　138
3．1．1　與數(shù)字信源的連接　138
3．1．2　電壓增益和輸出功率　140
3．1．3　電路結(jié)構(gòu)　140
3．1．4　封裝形式　143
3．2　虛擬地技術(shù)　145
3．2．1　等電平虛擬地　145
3．2．2　負電壓電荷泵　146
3．3　低功耗技術(shù)　148
3．3．1　啞音和待機關(guān)斷　148
3．3．2　G類放大器　148
3．3．3　H類放大器　150
3．3．4　I類放大器　151
3．3．5　D類和數(shù)字放大器　151
3．4　數(shù)字電位器音量控制技術(shù)　152
3．4．1　數(shù)字電位器的工作原理　152
3．4．2　耳機放大器芯片中的數(shù)字電位器　154
3．5　差異化設計　155
3．5．1　量身定制的耳機放大器芯片　155
3．5．2　功能創(chuàng)新的耳機放大器芯片　157
3．6　集成耳機放大器的應用　159
3．6．1　在普通手機中的應用　159
3．6．2　在音樂手機中的應用　160
3．6．3　在無損播放器中的應用　163
3．6．4　在前置放大器中的應用　163
3．6．5　典型耳機放大器芯片特性表　164
3．7　耳機放大器芯片發(fā)展　165
3．7．1　耳機放大器芯片與音頻OP的比較　165
3．7．2　耳機放大器芯片的未來　166
第4章　低電源電壓耳機放大器　168
4．1　低壓耳機放大器的歷史和現(xiàn)狀　168
4．1．1　晶體管和運算放大器在低壓下的性能　168
4．1．2　低壓電器歷程　170
4．1．3　關(guān)于電池　170
4．1．4　低壓耳機放大器的結(jié)構(gòu)　172
4．2　低壓運算放大器　176
4．2．1　低壓運算放大器的歷史　176
4．2．2　軌至軌低壓運算放大器的電路結(jié)構(gòu)　176
4．2．3　常見的低壓運算放大器　178
4．3　實驗低壓緩沖器　178
4．3．1　運算放大器緩沖器　179
4．3．2　菱形電壓跟隨器　180
4．3．3　結(jié)型場效應管互補跟隨器陣列　181
4．3．4　自舉晶體管緩沖器　181
4．4　直接用電池供電的低壓耳機放大器　182
4．4．1　運算放大器驅(qū)動菱形電壓跟隨器　182
4．4．2　運算放大器驅(qū)動自舉晶體管緩沖器　183
4．4．3　全分立元器件低壓耳機放大器　183
4．4．4　集成低壓OP耳機放大器　184
4．5　使用升壓變換器的低壓耳機放大器　185
4．5．1　使用一節(jié)鎳氫電池的差分耳機放大器　185
4．5．2　使用一節(jié)鎳氫電池的耳機分配放大器　188
4．5．3　使用一節(jié)鋰電池的高阻耳機放大器　189
4．6　低壓耳機放大器中的特殊電源　190
4．6．1　把單電壓變換成雙電壓　190
4．6．2　半壓偏置電源　191
4．6．3　虛擬地電源　192
4．7　低壓耳機放大器中高頻開關(guān)電源　192
4．7．1　升壓變換器　193
4．7．2　負壓變換器　195
4．8　開關(guān)電源設計舉例　197
4．8．1　把1．2V升壓到±5V的開關(guān)電源　197
4．8．2　把3．7V升降壓到±12V的開關(guān)電源　200
4．8．3　開關(guān)電源耳機放大器中的電磁干擾和對策　204
4．8．4　開關(guān)電源在低壓耳機放大器中的優(yōu)化設計　205
第5章　分立元器件耳機放大器　207
5．1　經(jīng)典功率放大器的電路結(jié)構(gòu)　207
5．1．1　功率放大器的結(jié)構(gòu)演變　207
5．1．2　經(jīng)典功率放大器的基本電路　208
5．1．3　經(jīng)典功率放大器的性能　209
5．2　經(jīng)典功率放大器的改進途徑　210
5．2．1　從哪里入手改進　211
5．2．2　改進電路的性能　212
5．3　經(jīng)典耳機放大器的范例　213
5．3．1　經(jīng)典耳機放大器的實際電路　214
5．3．2　實際電路的改進細節(jié)　215
5．3．3　經(jīng)典耳機放大器的性能　217
5．4　兩級電壓放大結(jié)構(gòu)的甲類耳機放大器　219
5．4．1　兩級電壓放大結(jié)構(gòu)的進一步改進　219
5．4．2　場效應管甲類耳機放大器的實際電路和性能　226
5．5　實驗三級電壓放大結(jié)構(gòu)甲乙類耳機放大器　230
5．5．1　三級電壓放大結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和缺陷　230
5．5．2　設計思想和電路結(jié)構(gòu)　232
5．5．3　三級電壓放大結(jié)構(gòu)的實驗結(jié)果　236
第6章　基于運算放大器的耳機放大器　240
6．1　音頻運算放大器的特點　240
6．1．1　運算放大器的黑匣子特性　241
6．1．2　電壓反饋運算放大器和電流反饋運算放大器　242
6．1．3　失調(diào)電壓和失調(diào)電流　243
6．1．4　增益特性　244
6．1．5　噪聲特性　245
6．1．6　失真特性　250
6．1．7　轉(zhuǎn)換速率　251
6．1．8　共模抑制比和電源抑制比　252
6．1．9　具有代表性的音頻運算放大器　253
6．2　運算放大器耳機放大器的結(jié)構(gòu)　255
6．2．1　運算放大器與晶體管的組合結(jié)構(gòu)　255
6．2．2　運算放大器與集成緩沖器的組合結(jié)構(gòu)　255
6．2．3　全運算放大器結(jié)構(gòu)　256
6．2．4　分配放大器　256
6．3　電壓放大器的設計　257
6．3．1　直接用運算放大器作電壓放大器　257
6．3．2　擴展運算放大器輸出電壓的方法　263
6．4　電流放大器的設計　265
6．4．1　直接用運算放大器作電流放大器　265
6．4．2　擴展運算放大器輸出電流的方法　268
6．5　基于運算放大器的耳機放大器設計實例　273
6．5．1　電路結(jié)構(gòu)　273
6．5．2　數(shù)字電位器音量控制　274
6．5．3　低噪聲電壓放大器　277
6．5．4　畸變校正器　282
6．5．5　電流放大器　283
6．5．6　整機電路和性能指標　284
6．6　耳機放大器中的運算放大器文化　287
第7章　電流反饋耳機放大器　289
7．1　電流反饋放大器的電路模型　289
7．1．1　電路中的四種傳輸函數(shù)　289
7．1．2　電流反饋放大器的電路模型　290
7．2　電流反饋放大器的基本電路和改進途徑　291
7．2．1　電流反饋放大器的基本電路　291
7．2．2　基本電路的改進　292
7．3　電流反饋耳機放大器電路的演進　295
7．3．1　用菱形電壓跟隨器的電流反饋耳機放大器　295
7．3．2　用級聯(lián)放大器的電流反饋耳機放大器　295
7．3．3　用電流鏡的電流反饋耳機放大器　296
7．3．4　用誤差控制環(huán)路的電流反饋耳機放大器　297
7．4　用電流反饋運算放大器設計耳機放大器　298
7．4．1　電流反饋運算放大器的特性　299
7．4．2　驅(qū)動低阻耳機的電流反饋耳機放大器　307
7．4．3　驅(qū)動高阻耳機的電流反饋耳機放大器　309
7．4．4　用復合放大器改進電流反饋耳機放大器的精度　310
7．5　電流反饋耳機放大器與電壓反饋耳機放大器的對比　313
7．5．1　在波特圖上尋找寬帶和高速的原因　314
7．5．2　設計和制作的困惑　315
7．5．3　學習和理解的過程　316
7．5．4　是否真的需要一臺電流反饋耳機放大器　316
第8章　無交越失真的乙類耳機放大器　317
8．1　關(guān)于乙類放大器　317
8．1．1　乙類放大器的定義　317
8．1．2　理想乙類放大器的概念　318
8．1．3　乙類放大器的交越失真　318
8．2　消除交越失真的方法　322
8．2．1　消除交越失真的傳統(tǒng)方法　322
8．2．2　用電橋消除交越失真　325
8．2．3　用誤差前饋消除交越失真　329
8．3　分立元器件乙類耳機放大器設計　331
8．3．1　兩級電壓放大結(jié)構(gòu)的乙類耳機放大器　332
8．3．2　三級電壓放大結(jié)構(gòu)的乙類耳機放大器　335
8．3．3　分立元器件乙類耳機放大器的討論　338
8．4　基于運放的乙類耳機放大器設計　340
8．4．1　誤差前饋乙類耳機放大器的設計　340
8．4．2　電抗橋乙類耳機放大器的設計　349
8．4．3　把50周年紀念版耳機放大器改造成乙類　354
8．5　乙類耳機放大器的現(xiàn)狀和前景　358
第9章　數(shù)字耳機放大器　360
9．1　什么是數(shù)字音頻放大器　360
9．1．1　D類放大器和數(shù)字音頻放大器的區(qū)別　360
9．1．2　D類放大器和數(shù)字音頻放大器的種類和結(jié)構(gòu)　361
9．2　數(shù)字音頻放大器的設計方法和工具　363
9．2．1　EDA工具　363
9．2．2　選擇拓撲結(jié)構(gòu)　363
9．2．3　計算理想狀態(tài)的極限性能　364
9．2．4　設計工程電路　367
9．3　實驗模擬信號輸入的分立元器件PDM耳機放大器　369
9．3．1　把離散時間域的模型轉(zhuǎn)換成連續(xù)時間域的電路　369
9．3．2　用反相器實現(xiàn)單元電路的功能　370
9．3．3　構(gòu)建仿真電路　372
9．3．4　設計實際電路　376
9．4　實驗數(shù)字信號輸入集成電路PDM耳機放大器　381
9．4．1　數(shù)字音頻信號傳輸接口器件和電路　381
9．4．2　AES/SPDIF解調(diào)器　382
9．4．3　音頻數(shù)據(jù)電平轉(zhuǎn)換器　386
9．4．4　PDM放大器　386
9．4．5　重建濾波器　390
9．4．6　電源　392
9．4．7　控制電路　392
9．4．8　放大器的性能　392
9．5　數(shù)字類耳機放大器的現(xiàn)狀和未來　394
第　10章 電子管耳機放大器　396
10．1　為什么要用電子管耳機放大器　396
10．1．1　懷舊情懷和文化傳承　396
10．1．2　電子管耳機放大器的電路結(jié)構(gòu)　397
10．1．3　電子管耳機放大器的資源　399
10．2　單級放大器　400
10．2．1　電路結(jié)構(gòu)　401
10．2．2　用高互導五極管設計單級耳機放大器　401
10．2．3　用雙三極管設計單級耳機放大器　406
10．3　兩級放大器的電路結(jié)構(gòu)　407
10．3．1　傳統(tǒng)兩級單端無反饋放大器　407
10．3．2　全局負反饋的接入方法　413
10．3．3　理想功率放大器的實現(xiàn)方法　414
10．4　非線性反饋放大器　415
10．4．1　超三極管的概念　416
10．4．2　基本單元電路分析　420
10．4．3　設計要點　425
10．4．4　實驗電路　428
10．4．5　從理想功率放大器的定義理解超三極管耳機放大器電路　434
10．4．6　超三極管與SRPP電路的區(qū)別　435
10．5　誤差校正放大器　436
10．6　認識輸出變壓器　437
10．6．1　輸出變壓器的基本原理　437
10．6．2　輸出變壓器的解析分析　438
10．6．3　輸出變壓器的設計方法　446
10．6．4　輸出變壓器的替代方法　450
10．7　電子管耳機放大器的電源　451
10．7．1　傳統(tǒng)整流電源　451
10．7．2　線性穩(wěn)壓電源　466
10．8　高頻開關(guān)電源　487
10．8．1　高頻開關(guān)電源簡介　487
10．8．2　乙電電源　492
10．8．3　燈絲加熱電源　498
第　11章 耳機放大器的接口　501
11．1　耳機放大器的接口　501
11．1．1　模擬信號接口的種類　502
11．1．2　數(shù)字信號接口的種類　502
11．1．3　空中接口　503
11．1．4　控制接口　503
11．1．5　電源接口　503
11．2　數(shù)字信號接口　504
11．2．1　AES3專業(yè)接口協(xié)議　504
11．2．2　S/PDIF接口協(xié)議　506
11．2．3　USB音頻接口協(xié)議　507
11．2．4　SD/TF存儲卡協(xié)議　514
11．2．5　連接器和調(diào)理電路　523
11．3　空中接口　534
11．3．1　藍牙音頻接口　535
11．3．2　PuruPathTM和WUSB數(shù)字音頻接口　557
11．3．3　紅外線數(shù)字音頻接口　557
11．4　控制接口　558
11．4．1　耳機放大器中的控制項目　558
11．4．2　音量控制　566
11．4．3　SPI總線　578
11．4．4　I2C總線　580
11．4．5　微處理器　587
11．5　電源接口　597
11．5．1　耳機放大器中的電源接口　597
11．5．2　電源適配器　599
11．5．3　電源連接器　600
11．5．4　電源干擾　604
第　12章 耳機放大器專用電源　624
12．1　耳機放大器電源的結(jié)構(gòu)　624
12．1．1　為什么要用電池　625
12．1．2　功能模塊的工作原理　626
12．1．3　選擇電池　633
12．2　電源路徑管理電路的設計　633
12．2．1　選擇芯片　633
12．2．2　外圍電路設置　633
12．2．3　電源選擇邏輯　636
12．2．4　電量計電路　636
12．3　DC-DC變換器的設計　637
12．3．1　選擇控制芯片　638
12．3．2　輸出變壓器的參數(shù)計算　640
12．3．3　輸入變壓器的參數(shù)計算　642
12．4　線性穩(wěn)壓電源的設計　643
12．4．1　正電源參數(shù)計算　644
12．4．2　負電源參數(shù)計算　644
12．4．3　穩(wěn)壓電源的性能　645
12．5　輔助電源　646
12．5．1　輔助電源的功能和結(jié)構(gòu)　646
12．5．2　輔助電源的實例　646
12．5．3　輔助電源的注意事項　648