音频功率放大器设计手册PDF电子书下载

1　功放简介与概要 1

1.1 功放的重要性 1

1.1.1 阅读本书应具备的基本知识 1

1.1.2 本书内容核心和指向 2

1.2 功放设计研究的新发现 3

1.3 音响领域的误信误传 6

1.4 音响科学与主观主义 6

1.4.1 音响主观者的立场 7

1.4.2 音响主观主义形成的简短历史 9

1.4.3 试听的局限性 9

1.4.4 音响主观者的原则与信条 12

1.4.5 声音从录制到重放所经环节 18

1.4.6 音响主观评价带来的负面影响 18

1.4.7 音响主观主义盛行的原因 19

1.4.8 前景展望 21

1.4.9 技术上的谬误 21

1.5 功放的性能需求 22

1.5.1 安全性 22

1.5.2 可靠性 22

1.5.3 输出功率 22

1.5.4 频率响应 24

1.5.5 噪声 24

1.5.6 失真 24

1.5.7 阻尼系数 25

1.5.8　绝对相位 27

1.6 常用英文缩略语 28

参考文献 29

2　功放历史、电路结构与负反馈 31

2.1 功放的简要历史 31

2.2 功放的电路结构 32

2.3 三级结构 32

2.4　功放工作方式 35

2.4.1　A类 35

2.4.2　AB类 36

2.4.3　B类 36

2.4.4　C类 36

2.4.5　D类 37

2.4.6　E类 37

2.4.7　F类 37

2.4.8　G类 37

2.4.9　H类 40

2.4.10　S类 40

2.5 改进型B类放大器 40

2.5.1 误差修正放大器 40

2.5.2　无开关放大器 41

2.5.3 电流驱动输出放大器 41

2.5.4 “布洛姆”（Blomley）放大器 41

2.5.5　几何平均AB类 42

2.5.6 嵌套式差动反馈回路 43

2.6 直流耦合放大器与交流耦合放大器 43

2.6.1 交流耦合的优点 43

2.6.2 直流耦合的优点 44

2.7 功放的负反馈 47

2.7.1 与负反馈有关的常见错误观点 48

2.7.2 放大器的稳定性与负反馈 51

2.7.3 负反馈的最大化 59

2.7.4 加入负反馈前将线性最大化 61

参考文献 61

3　功放的基本原理 63

3.1 普通功放是如何工作的 63

3.2 传统功放线路的优点 65

3.3 功放的8种失真 66

3.3.1 第1种失真：输入级失真 67

3.3.2 第2种失真：电压放大级失真 67

3.3.3 第3种失真：输出级失真 67

3.3.4 第4种失真：电压放大级负载失真 68

3.3.5 第5种失真：电源退耦失真 68

3.3.6 第6种失真：感应失真 68

3.3.7 第7种失真：负反馈选取点失真 68

3.3.8 第8种失真：电容失真 69

3.3.9 未列入的失真 69

3.4 标准放大器（standard amplifier）的失真性能 70

3.5 功放的开环线性及其测量 71

3.6 开环增益的直接测量 72

3.7 样板放大器（model amplifier）的使用 74

3.8 无缺陷放大器（Blameless amplifier）概念 75

参考文献 76

4　小信号放大级 77

4.1 输入级的作用 77

4.2 输入级产生的失真 77

4.3 输入级使用三极管与场效应管的比较 79

4.3.1 场效应管输入级的优点 80

4.3.2 场效应管输入级的缺点 80

4.4 单管输入级与差分输入级的比较 80

4.5 单独测量输入级失真 81

4.6　输入级的直流平衡 83

4.7 使用镜像电流源负载的好处 85

4.8 输入级线性的改善 86

4.9 增强输入级线性的更多方法 87

4.10 输入级的级联接法 90

4.11 输入级噪声及其降低方法 90

4.12 失调与匹配：关乎直流精度问题 93

4.13 输入级与转换速率 95

4.14 电压放大级 96

4.15 单独测量电压放大级失真 97

4.16 电压放大级的仿真 98

4.17 电压放大级的失真 99

4.18 改善电压放大级的线性：有源负载技术 100

4.19 电压放大级的强化 102

4.20 电压驱动的重要性 104

4.21 平衡式电压放大级 105

4.22 电压放大级与开环带宽的控制 107

4.23 控制放大器开环带宽的配套措施 109

4.24 小结 110

参考文献 110

5　输出级一 112

5.1 输出级的工作方式与器件 112

5.2　输出级的失真 115

5.2.1 交越失真产生的谐波 115

5.2.2 不同输出级的比较 117

5.3 射极跟随器输出级 119

5.4 倒置达林顿输出级 122

5.5 准互补输出级 123

5.6 三重结构输出级 125

5.7 三重射极跟随器输出级 125

5.8 输出级失真及其抑制 127

5.9 大信号失真（第3a种失真） 128

5.9.1 负载不变的概念 131

5.9.2 大信号失真的机理 132

5.9.3 功率输出管的并联 133

5.9.4 更佳的功率输出器件 134

5.9.5　前馈二极管 136

5.9.6 三重结构输出级的难点 136

5.9.7 驱动低于4Ω的负载 137

5.9.8 改善驱动8Ω负载的性能 138

5.9.9 实用的负载不变式放大器 138

5.9.10 最新研究的发现 140

5.9.11 本节摘要 144

5.10 交越失真（第3b种失真） 144

5.10.1 输出级静态工作状况 151

5.10.2 针对交越失真优化偏置的实验 153

5.10.3 要求严格的输出级静态参数Vq 156

5.11 关断失真（第3c种失真） 157

5.12 热失真 158

5.13 功放集成电路的热失真 160

5.14 输出级的选择 161

5.15 放大器闭环后的失真 162

5.16　小结 165

参考文献 166

6　输出级二 167

6.1 第4种失真：电压放大级负载失真 167

6.2 第5种失真：电源退耦失真 169

6.3 第6种失真：感应失真 172

6.4 第7种失真：负反馈选取点失真 174

6.5 第8种失真：电容失真 176

6.6 设计实例：50WB类功放 179

参考文献 186

7　高频补偿、转换速率与稳定性 187

7.1 常见的高频补偿方法 187

7.2　主极点补偿法 188

7.3 滞后补偿法 190

7.4 包含输出级的密勒补偿 190

7.5 嵌套式反馈环路 191

7.6　双极点补偿法 193

7.7 输出网络 196

7.7.1 放大器的输出阻抗 197

7.7.2 放大器输出阻抗的最小化 199

7.7.3 茹贝尔网络 199

7.7.4　输出电感 201

7.7.5 输出电感值 207

7.7.6 电缆效应 208

7.8 输出电感之间的串扰 208

7.9 电抗性负载与音箱模拟 214

7.9.1 电阻负载 215

7.9.2 真正音箱负载的模型 215

7.10 音箱负载与输出级 219

7.10.1 全频音箱负载 220

7.10.2　两分频音箱负载 224

7.11 意外增大的音箱电流 226

7.12 放大器的不稳定 228

7.12.1 高频不稳定 229

7.12.2 低频不稳定 230

7.13 音频放大器的速度与转换速率 230

7.13.1 关于放大器速率限制的基础知识 232

7.13.2 转换速率的测量 233

7.13.3 转换速率的提高 234

7.13.4 速率限制的仿真 235

7.13.5 现实中的速率限制 237

7.13.6　其他影响因素 239

7.13.7 转换速率的进一步提高以及其他电路形式 241

参考文献 241

8　电源与电源抑制能力 243

8.1 功放的供电方式 243

8.1.1 简单的非稳压电源 243

8.1.2　线性稳压电源 244

8.1.3 开关电源 245

8.2 电源设计考虑 247

8.2.1 电源变压器 247

8.2.2 保险管与整流器 249

8.2.3 整流器的射频辐射 250

8.2.4 放大器的电源抑制能力 250

8.2.5 提高电源抑制能力的设计方法 253

8.2.6 正电源抑制能力 254

8.2.7 负电源抑制能力 257

参考文献 264

9　A类功放 265

9.1　A类功放简介 265

9.2　A类功放的电路与效率 266

9.3　A类功放输出级工作分析 269

9.4 静态电流控制电路 272

9.5 静态电流智能控制电路 275

9.6　A类功放的设计实例 277

9.7 三态放大器（Trimodal amplifier） 279

9.8 负载阻抗与工作模式 281

9.9 效率 283

9.10 三态放大器的偏置电路 288

9.11　A/AB类工作模式 290

9.12　B类工作模式 291

9.13 工作模式切换 292

9.14　散热设计 293

9.15 三态放大器的完整电路 295

9.16 三态放大器的电源 297

9.17 三态放大器的性能 298

9.18 三态放大器的进一步发展 300

参考文献 300

10　G类功放 301

10.1　G类功放原理 301

10.2 串联式G类功放简介 302

10.3　G类功放效率 304

10.4 研究电路的实用方法 307

10.5 偏置需求 308

10.6 串联式G类功放的线性问题 309

10.7 静态线性 311

10.8 实用G类功放设计 313

10.9 小信号失真的控制 315

10.10 实用G类功放的性能 317

10.11 衍生的新型功放：A+C类功放 320

10.12 加入双极点补偿 323

10.13　G类功放的进一步演化 324

参考文献 325

11　D类功放 326

11.1 历史 327

11.2 基本原理 327

11.3 电路技术 329

11.4 保护电路 331

11.5　输出滤波器 331

11.6 效率 332

12　场效应管输出级 334

12.1 功率场效应管的特性 334

12.2 输出级使用三极管与场效应管的比较 335

12.2.1 场效应管的优点 336

12.2.2 场效应管的缺点 336

12.3 输出级使用IGBT管 337

12.4 功率场效应管输出级 337

12.5 功率场效应管与功率三极管的线性比较 341

12.6　A类工作的场效应管 342

参考文献 345

13　热补偿与散热设计 346

13.1 为何要对输出级静态严加控制 346

13.2 热补偿的精度要求 347

13.3 基本的热补偿方法 352

13.4　温度误差的估算 353

13.5 散热仿真 353

13.6 射极跟随器输出级的热模型 355

13.7 倒置达林顿输出级的热模型 363

13.8 对偏置误差好坏的判断 364

13.9 射极跟随器输出级热补偿的改善 366

13.10 倒置达林顿输出级热补偿的改善 369

13.11 更佳的感温器安装方法 371

13.12　结温评估器 372

13.13 结温快速评估器 374

13.14 小结 377

13.15 温度系数可变的偏置电路 377

13.15.1 提高偏置电路的温度系数 378

13.15.2 补偿环境温度的变化 380

13.15.3 降低偏置电路的温度系数 381

13.15.4 补偿工作电流带来的影响 382

13.16 散热设计的实际效果 384

13.16.1 实测结果 385

13.16.2 输出级厄利效应的影响 388

参考文献 389

14　直流伺服电路设计 391

14.1 直流失调电压的手动调整 391

14.2 通过伺服环路控制直流失调电压 393

14.3 直流伺服的优点 393

14.4 伺服电路的基本结构 394

14.5 噪声、元件值与转折频率 395

14.6 同相积分器 396

14.7　运放的选择 398

14.8 伺服作用范围 399

14.9 低频转折频率的设计 400

14.10 伺服电路对放大器性能的影响 401

14.11 多极点响应的伺服电路 402

15　功放与扬声器保护 403

15.1 功放保护的种类 403

15.2 过载保护 405

15.2.1 保险管式过载保护 406

15.2.2 电子式过载保护 407

15.2.3 保护轨迹线 408

15.2.4 简单的限流保护 410

15.2.5 单斜率电压电流限制保护 413

15.2.6 双斜率电压电流限制保护 414

15.2.7 过载保护电路的仿真 416

15.3 箝位二极管 417

15.4　直流偏移保护 418

15.4.1　保险管保护 418

15.4.2 继电器保护和静音控制 420

15.4.3 直流保护电路的滤波器 421

15.4.4　双向直流检测 424

15.4.5 输出继电器引入的失真 429

15.4.6 电子保险式直流保护 433

15.4.7 切断电源式保护 434

15.5 过热保护 435

15.6 辅助电源电路 437

参考文献 438

16　接地与实装技术 439

16.1 音频放大器PCB设计 439

16.1.1 串扰 440

16.1.2 电源感应失真 441

16.1.3 功率输出管的安装 441

16.1.4　单面PCB板与双面PCB板 442

16.1.5 电源PCB布线 443

16.1.6 电源PCB布线方法 444

16.1.7 音频电路PCB布线的设计顺序 447

16.1.8　PCB布线要点 448

16.2 放大器的接地 448

16.3 地环路：如何形成及其处理方法 450

16.3.1 市电地线电流引入的“哼”声 450

16.3.2 变压器磁场泄漏引入的“哼”声 452

16.3.3 变压器分布电容引入的“哼”声 453

16.3.4 设备内部的地电流 454

16.3.5　平衡式供电 455

16.4　Ⅰ类标准和Ⅱ类标准 456

16.5 机箱结构布局与设计考虑 458

16.5.1 散热 458

16.5.2　对流散热 459

16.5.3 电源变压器 460

16.5.4　接线布局 460

16.5.5 半导体器件的安装 461

17　测试与安全 463

17.1 测试与查错 463

17.2 安全 465

17.3 安全规则 466

17.3.1 电气安全 467

17.3.2 设备温度与安全 470

17.3.3　使用手册 473