耳机放大器设计手册

第 1章 耳机放大器的背景知识 1
1．1　认识耳机　1
1．1．1　耳机中的电声转换器　1
1．1．2　耳机的特性　8
1．1．3　耳机的品牌和产地　31
1．2　认识耳机放大器　35
1．2．1　耳机放大器的特性　35
1．2．2　耳机放大器的电路结构　37
1．2．3　耳机放大器的性能指标　38
第　2章 耳机放大器的设计方法　41
2．1　电子系统　41
2．1．1　电子系统的特征　41
2．1．2　电子系统设计方法　42
2．1．3　耳机放大器是什么规模的电子系统？　42
2．2　音频信号的特性　44
2．2．1　认识声音　44
2．2．2　音频信号的数字化　53
2．3　耳机放大器的设计原则　70
2．3．1　物理原则　70
2．3．2　声压级原则　74
2．3．3　增益原则　76
2．3．4　高保真原则　79
2．4　耳机放大器的设计方法　82
2．4．1　选择拓扑结构　82
2．4．2　稳定性补偿方法和优化　102
2．5　电路的传统设计方法和工具　112
2．5．1　电路的传统设计方法　112
2．5．2　电路的传统设计工具　114
2．6　电路的EDA设计方法和工具　123
2．6．1　设计和仿真工具SPICE　123
2．6．2　建模和计算工具MATLAB　132
第3章　集成电路耳机放大器　138
3．1　集成耳机放大器的概况　138
3．1．1　与数字信源的连接　138
3．1．2　电压增益和输出功率　140
3．1．3　电路结构　140
3．1．4　封装形式　143
3．2　虚拟地技术　145
3．2．1　等电平虚拟地　145
3．2．2　负电压电荷泵　146
3．3　低功耗技术　148
3．3．1　哑音和待机关断　148
3．3．2　G类放大器　148
3．3．3　H类放大器　150
3．3．4　I类放大器　151
3．3．5　D类和数字放大器　151
3．4　数字电位器音量控制技术　152
3．4．1　数字电位器的工作原理　152
3．4．2　耳机放大器芯片中的数字电位器　154
3．5　差异化设计　155
3．5．1　量身定制的耳机放大器芯片　155
3．5．2　功能创新的耳机放大器芯片　157
3．6　集成耳机放大器的应用　159
3．6．1　在普通手机中的应用　159
3．6．2　在音乐手机中的应用　160
3．6．3　在无损播放器中的应用　163
3．6．4　在前置放大器中的应用　163
3．6．5　典型耳机放大器芯片特性表　164
3．7　耳机放大器芯片发展　165
3．7．1　耳机放大器芯片与音频OP的比较　165
3．7．2　耳机放大器芯片的未来　166
第4章　低电源电压耳机放大器　168
4．1　低压耳机放大器的历史和现状　168
4．1．1　晶体管和运算放大器在低压下的性能　168
4．1．2　低压电器历程　170
4．1．3　关于电池　170
4．1．4　低压耳机放大器的结构　172
4．2　低压运算放大器　176
4．2．1　低压运算放大器的历史　176
4．2．2　轨至轨低压运算放大器的电路结构　176
4．2．3　常见的低压运算放大器　178
4．3　实验低压缓冲器　178
4．3．1　运算放大器缓冲器　179
4．3．2　菱形电压跟随器　180
4．3．3　结型场效应管互补跟随器阵列　181
4．3．4　自举晶体管缓冲器　181
4．4　直接用电池供电的低压耳机放大器　182
4．4．1　运算放大器驱动菱形电压跟随器　182
4．4．2　运算放大器驱动自举晶体管缓冲器　183
4．4．3　全分立元器件低压耳机放大器　183
4．4．4　集成低压OP耳机放大器　184
4．5　使用升压变换器的低压耳机放大器　185
4．5．1　使用一节镍氢电池的差分耳机放大器　185
4．5．2　使用一节镍氢电池的耳机分配放大器　188
4．5．3　使用一节锂电池的高阻耳机放大器　189
4．6　低压耳机放大器中的特殊电源　190
4．6．1　把单电压变换成双电压　190
4．6．2　半压偏置电源　191
4．6．3　虚拟地电源　192
4．7　低压耳机放大器中高频开关电源　192
4．7．1　升压变换器　193
4．7．2　负压变换器　195
4．8　开关电源设计举例　197
4．8．1　把1．2V升压到±5V的开关电源　197
4．8．2　把3．7V升降压到±12V的开关电源　200
4．8．3　开关电源耳机放大器中的电磁干扰和对策　204
4．8．4　开关电源在低压耳机放大器中的优化设计　205
第5章　分立元器件耳机放大器　207
5．1　经典功率放大器的电路结构　207
5．1．1　功率放大器的结构演变　207
5．1．2　经典功率放大器的基本电路　208
5．1．3　经典功率放大器的性能　209
5．2　经典功率放大器的改进途径　210
5．2．1　从哪里入手改进　211
5．2．2　改进电路的性能　212
5．3　经典耳机放大器的范例　213
5．3．1　经典耳机放大器的实际电路　214
5．3．2　实际电路的改进细节　215
5．3．3　经典耳机放大器的性能　217
5．4　两级电压放大结构的甲类耳机放大器　219
5．4．1　两级电压放大结构的进一步改进　219
5．4．2　场效应管甲类耳机放大器的实际电路和性能　226
5．5　实验三级电压放大结构甲乙类耳机放大器　230
5．5．1　三级电压放大结构的优势和缺陷　230
5．5．2　设计思想和电路结构　232
5．5．3　三级电压放大结构的实验结果　236
第6章　基于运算放大器的耳机放大器　240
6．1　音频运算放大器的特点　240
6．1．1　运算放大器的黑匣子特性　241
6．1．2　电压反馈运算放大器和电流反馈运算放大器　242
6．1．3　失调电压和失调电流　243
6．1．4　增益特性　244
6．1．5　噪声特性　245
6．1．6　失真特性　250
6．1．7　转换速率　251
6．1．8　共模抑制比和电源抑制比　252
6．1．9　具有代表性的音频运算放大器　253
6．2　运算放大器耳机放大器的结构　255
6．2．1　运算放大器与晶体管的组合结构　255
6．2．2　运算放大器与集成缓冲器的组合结构　255
6．2．3　全运算放大器结构　256
6．2．4　分配放大器　256
6．3　电压放大器的设计　257
6．3．1　直接用运算放大器作电压放大器　257
6．3．2　扩展运算放大器输出电压的方法　263
6．4　电流放大器的设计　265
6．4．1　直接用运算放大器作电流放大器　265
6．4．2　扩展运算放大器输出电流的方法　268
6．5　基于运算放大器的耳机放大器设计实例　273
6．5．1　电路结构　273
6．5．2　数字电位器音量控制　274
6．5．3　低噪声电压放大器　277
6．5．4　畸变校正器　282
6．5．5　电流放大器　283
6．5．6　整机电路和性能指标　284
6．6　耳机放大器中的运算放大器文化　287
第7章　电流反馈耳机放大器　289
7．1　电流反馈放大器的电路模型　289
7．1．1　电路中的四种传输函数　289
7．1．2　电流反馈放大器的电路模型　290
7．2　电流反馈放大器的基本电路和改进途径　291
7．2．1　电流反馈放大器的基本电路　291
7．2．2　基本电路的改进　292
7．3　电流反馈耳机放大器电路的演进　295
7．3．1　用菱形电压跟随器的电流反馈耳机放大器　295
7．3．2　用级联放大器的电流反馈耳机放大器　295
7．3．3　用电流镜的电流反馈耳机放大器　296
7．3．4　用误差控制环路的电流反馈耳机放大器　297
7．4　用电流反馈运算放大器设计耳机放大器　298
7．4．1　电流反馈运算放大器的特性　299
7．4．2　驱动低阻耳机的电流反馈耳机放大器　307
7．4．3　驱动高阻耳机的电流反馈耳机放大器　309
7．4．4　用复合放大器改进电流反馈耳机放大器的精度　310
7．5　电流反馈耳机放大器与电压反馈耳机放大器的对比　313
7．5．1　在波特图上寻找宽带和高速的原因　314
7．5．2　设计和制作的困惑　315
7．5．3　学习和理解的过程　316
7．5．4　是否真的需要一台电流反馈耳机放大器　316
第8章　无交越失真的乙类耳机放大器　317
8．1　关于乙类放大器　317
8．1．1　乙类放大器的定义　317
8．1．2　理想乙类放大器的概念　318
8．1．3　乙类放大器的交越失真　318
8．2　消除交越失真的方法　322
8．2．1　消除交越失真的传统方法　322
8．2．2　用电桥消除交越失真　325
8．2．3　用误差前馈消除交越失真　329
8．3　分立元器件乙类耳机放大器设计　331
8．3．1　两级电压放大结构的乙类耳机放大器　332
8．3．2　三级电压放大结构的乙类耳机放大器　335
8．3．3　分立元器件乙类耳机放大器的讨论　338
8．4　基于运放的乙类耳机放大器设计　340
8．4．1　误差前馈乙类耳机放大器的设计　340
8．4．2　电抗桥乙类耳机放大器的设计　349
8．4．3　把50周年纪念版耳机放大器改造成乙类　354
8．5　乙类耳机放大器的现状和前景　358
第9章　数字耳机放大器　360
9．1　什么是数字音频放大器　360
9．1．1　D类放大器和数字音频放大器的区别　360
9．1．2　D类放大器和数字音频放大器的种类和结构　361
9．2　数字音频放大器的设计方法和工具　363
9．2．1　EDA工具　363
9．2．2　选择拓扑结构　363
9．2．3　计算理想状态的极限性能　364
9．2．4　设计工程电路　367
9．3　实验模拟信号输入的分立元器件PDM耳机放大器　369
9．3．1　把离散时间域的模型转换成连续时间域的电路　369
9．3．2　用反相器实现单元电路的功能　370
9．3．3　构建仿真电路　372
9．3．4　设计实际电路　376
9．4　实验数字信号输入集成电路PDM耳机放大器　381
9．4．1　数字音频信号传输接口器件和电路　381
9．4．2　AES/SPDIF解调器　382
9．4．3　音频数据电平转换器　386
9．4．4　PDM放大器　386
9．4．5　重建滤波器　390
9．4．6　电源　392
9．4．7　控制电路　392
9．4．8　放大器的性能　392
9．5　数字类耳机放大器的现状和未来　394
第　10章 电子管耳机放大器　396
10．1　为什么要用电子管耳机放大器　396
10．1．1　怀旧情怀和文化传承　396
10．1．2　电子管耳机放大器的电路结构　397
10．1．3　电子管耳机放大器的资源　399
10．2　单级放大器　400
10．2．1　电路结构　401
10．2．2　用高互导五极管设计单级耳机放大器　401
10．2．3　用双三极管设计单级耳机放大器　406
10．3　两级放大器的电路结构　407
10．3．1　传统两级单端无反馈放大器　407
10．3．2　全局负反馈的接入方法　413
10．3．3　理想功率放大器的实现方法　414
10．4　非线性反馈放大器　415
10．4．1　超三极管的概念　416
10．4．2　基本单元电路分析　420
10．4．3　设计要点　425
10．4．4　实验电路　428
10．4．5　从理想功率放大器的定义理解超三极管耳机放大器电路　434
10．4．6　超三极管与SRPP电路的区别　435
10．5　误差校正放大器　436
10．6　认识输出变压器　437
10．6．1　输出变压器的基本原理　437
10．6．2　输出变压器的解析分析　438
10．6．3　输出变压器的设计方法　446
10．6．4　输出变压器的替代方法　450
10．7　电子管耳机放大器的电源　451
10．7．1　传统整流电源　451
10．7．2　线性稳压电源　466
10．8　高频开关电源　487
10．8．1　高频开关电源简介　487
10．8．2　乙电电源　492
10．8．3　灯丝加热电源　498
第　11章 耳机放大器的接口　501
11．1　耳机放大器的接口　501
11．1．1　模拟信号接口的种类　502
11．1．2　数字信号接口的种类　502
11．1．3　空中接口　503
11．1．4　控制接口　503
11．1．5　电源接口　503
11．2　数字信号接口　504
11．2．1　AES3专业接口协议　504
11．2．2　S/PDIF接口协议　506
11．2．3　USB音频接口协议　507
11．2．4　SD/TF存储卡协议　514
11．2．5　连接器和调理电路　523
11．3　空中接口　534
11．3．1　蓝牙音频接口　535
11．3．2　PuruPathTM和WUSB数字音频接口　557
11．3．3　红外线数字音频接口　557
11．4　控制接口　558
11．4．1　耳机放大器中的控制项目　558
11．4．2　音量控制　566
11．4．3　SPI总线　578
11．4．4　I2C总线　580
11．4．5　微处理器　587
11．5　电源接口　597
11．5．1　耳机放大器中的电源接口　597
11．5．2　电源适配器　599
11．5．3　电源连接器　600
11．5．4　电源干扰　604
第　12章 耳机放大器专用电源　624
12．1　耳机放大器电源的结构　624
12．1．1　为什么要用电池　625
12．1．2　功能模块的工作原理　626
12．1．3　选择电池　633
12．2　电源路径管理电路的设计　633
12．2．1　选择芯片　633
12．2．2　外围电路设置　633
12．2．3　电源选择逻辑　636
12．2．4　电量计电路　636
12．3　DC-DC变换器的设计　637
12．3．1　选择控制芯片　638
12．3．2　输出变压器的参数计算　640
12．3．3　输入变压器的参数计算　642
12．4　线性稳压电源的设计　643
12．4．1　正电源参数计算　644
12．4．2　负电源参数计算　644
12．4．3　稳压电源的性能　645
12．5　辅助电源　646
12．5．1　辅助电源的功能和结构　646
12．5．2　辅助电源的实例　646
12．5．3　辅助电源的注意事项　648