蓝牙耳机及其放大电路实用设计汇总
随着越来越多的手机支持蓝牙功能，蓝牙耳机已成为手机的必备选件。同时，随着支持mp3播放的立体声蓝牙耳机的推出，蓝牙耳机已能够同时连接到蓝牙移动电话和音乐播放器，这必将给蓝牙应用带来新的亮点。本文为大家介绍蓝牙耳机及耳机放大器的方案设计。
蓝牙耳机系统电路设计方案
引言
bluetooth（蓝牙技术）是由爱立信、诺基亚、摩托罗拉、英特尔、ibm和日立等信息技术公司发起的一种短距离无线通信协议标准。由于 bluetooth技术具有低功耗、抗干扰能力强、适用于多种通信场所以及集成电路相对简单，因此蓝牙技术作为一种替代有线电缆的无线接口技术具有广阔的 市场前景。蓝牙技术正成为移动电话、pda、mp3player和电脑中的标准配置，蓝牙技术主流应用之一是通过蓝牙耳机欣赏上述产品蓝牙接口发送出来的 高品质音乐和实现免提通话，然而技术的普及速度除了与技术本身的先进与否有关外，还与实现成本的高低密切相关，市场上的蓝牙耳机价格少则几百，多则上千 元，而移动电话本身价格大多也不过千元，蓝牙耳机的相对高价位导致了它的市场普及速度和广度远低于移动电话，本文正式根据这一 xian，基于csr蓝牙芯片bc358239a提出了一种低成本蓝牙耳机电路设计方案，对蓝牙耳机的普及必将起到重要作用。
一．蓝牙耳机架构和芯片介绍
图一 蓝牙耳机的结构
应用到蓝牙耳机的芯片除了低成本、低功耗、外围电路简单以外，提供的软件开发工具齐全以及芯片封装小也很重要，下面对蓝牙耳机的主要芯片作简要介绍。
1．bc358239a介绍：
bc358239a芯片频率范围2.402～2.480ghz，发射功率可高达＋4db，内置有8比特dac（数模转换器）可自动调整发射功率，无需外 部 balun（平衡不平衡转换器和功放即可符合蓝牙v1.2规格；0.1%ber（比特误码率）时典型接收灵敏度－85db；全集成的频率合成器，可支持 8～40mhz外部时钟输入又可外接cristal（晶振）；内部集成dsp（数字信号处理器）速度可达32mips，32bit指令字，24bit数据 存储器，内置4k字程序存储器，两个8k字数据存储器，足以支持耳机应用软件设计需要；片上ldo（低压差线性稳压器），支持u-law和a-law 语音代码转换，支持i2s又支持pcm语音接口， 深度睡眠模式功耗不超过10ua；10x10mm 的lfbga封装，只需较小的pcb尺寸。bc358239a内部结构见图二。
图二 bc358239a内部结构
此外bc358239a还有内置ldo，其输出电压1.8v，其最大输出电流可达70ma，完全可满足蓝牙芯片自身需要。
bc358239a的蓝牙的软件架构具备相当的灵活性，蓝牙应用程序可以运行于bc358239a外部，也可由内部risc处理器处理。
2．wm8731介绍
wm8731是wolfson公司推出的一款适合于语音应用的codec（编码解码器），它能为自身的mic（麦克风）输入提供偏置电压，内部有两组 adc（模数转换器）和dac（数模转换器），其抽样频率从8khz到96khz.串行控制接口可选择为两线制和三线制。其音频接口可通过编程设置为 i2s或pcm接口形式。28pin5x5x0.9mm的qfn封装，特别适合对pcb面积有限制的应用。功耗极低，应用pcm接口通信时电流自由 20ma左右，寄存器的正确设置可使待机功耗保持在15ua以下。
3．充电芯片sc805和ldo rt9169-3.3
semtech公司的sc805是一款功能强大的cccv（恒流恒压）充电芯片，可编程的预充、快充和中止充电电流，使得它既可和pmu（电源管理）芯 片组合成充电管理电路，也可单独作为锂电池充电控制芯片。热保护、过流保护、电池充电电压精度可达1％使得它安全可靠；输入电压范围从3v到6v，充电电 流最大可达1a，3x3mmmlp封装，适合消费类电子使用。
rt9169-3.3是richtech公司生产的100ma低噪声3.3vldo，它具有较低静态电流（低达4ua），较高的纹波抑制比，符合蓝牙耳机 wm8731和蓝牙芯片内部ldo对电源的要求。
二．电路设计和软件设计要点。
耳机电源的开关和音量调节可利用蓝牙芯片bc358239a的pio口；从rt9169输出的3.3v电源送到蓝牙内置ldo输入端时注意在输入端加适 当的去偶电容，蓝牙芯片的vdd_ana（内置ldo1.8v输出端）须加上去偶电容，以防止送到蓝牙芯片的电源引入干扰导致蓝牙rf频偏过大，与此同时 蓝牙外接的cristial（晶振）精度要求至少10ppm，否则也会影响蓝牙rf指标。
wm8731的电源输入端hpvdd、 dcvdd、dbvdd和avdd都可用ldort9169的3.3v输出，在wm8731的电源端加上适当去偶可以改善wm8731输出的音频品 质；wm8731时钟可利用蓝牙芯片的aio3引脚的可编程时钟输出。 wm8731与bc358239a的pcm接口相连时wm8731的adclrc和daclrc同时连接蓝牙pcm_sync。
bchs（bluecorehostsoftware）是csr为客户提供蓝牙产品设计提供的开发软件，bchs和蓝牙的协议栈共同组成了蓝牙产品的软件解决方案。蓝牙耳机的软件架构可参考图四
图三 蓝牙耳机软件架构
图三中vmapplicationsoftware（虚拟机器应用软件）包括tcs（电话控制协议），它定义了蓝牙耳机建立语音和数据呼叫的控制信令， 定义了处理蓝牙tcs设备群的移动管理进程；应用程序功能包括通过i2c总线写wm8731寄存器控制耳机音量，电池低电压报警等功能。
结论：
蓝牙耳机的低成本解决方案总是与蓝牙和语音解码芯片的价格降低相伴而生，随着蓝牙接口在移动电话、pda、mp3player和电脑中的迅速普及，蓝牙耳机取代有线耳机已成为技术发展的必然趋势。
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高清语音技术在手机和蓝牙耳机中的应用
高清语音也被称为宽带语音，是一种能为蜂窝网络、移动电话和无线耳机传输高清、自然语音质量的音频技术。与传统的窄带电话相比，高清语音很大程度上提高了语音质量，减少了听觉负担。
通信产业链上的所有网络和设备都需支持高清语音才能体现出该技术的优点。到2011年6月为止，18个国家运营的20种蜂窝网络，以及33家领先的手机 品牌都已支持高清语音。通过部署自适应多速率宽带（amr-wb）语音编码，gsm， wcdma（umts）和lte蜂窝网络中已经引入了高清语音。此外， 通过使用改良的子带编码（msbc）语音编解码技术，无线蓝牙耳机也开始支持高清语音，将免提通话与高语音质量结合在了一起。
高清语音的优点同样可以在现有网络中体现出来。随着窄带网络和设备向高清语音过渡，一种名为带宽扩展（bwe）的语音处理技术可以用来在接收终端设备上模拟类似于高清语音的通话质量，为不支持高清语音的设备提供了一个折中的解决方案。
从窄带到高清语音
传统电话系统的带宽被限制在大约300hz到3.4khz的音频频率范围内（图表1），这一范围通常被称为窄带语音。尽管现在的电话系统是数字式的，但 其还是传承了与传统模拟系统相同的带宽。从语音质量的角度来看，窄带语音缺乏自然语音保真度，常常被形容为单薄和模糊不清。尽管如此，窄带频率范围内完整 语句的语音辨别度大概是99%。
图1：窄带和宽带语音的带宽特点
高清语音在采样频率为16khz时音频带宽大约为50hz至7khz，因此与窄带语音相比具有更清晰的语音信号。虽然宽带语音并没有显著提高语音清晰 度，但是窄带范围之外的3.4khz至7khz提高了单词中的摩擦音（例如f、s和th） 的识别度。宽带语音能够提供更加自然真实的语音，在主观音频质量方面比窄带语音有了显著的提高。高清语音扩展出的50hz至300hz的低频降低了窄带语 音尖细的特点，而扩展出的高频则提高了发音清晰度。
在主观语音质量听力测试中，宽带语音在平均意见得分（mos）中得到4.5分，而窄 带语音则为3.2分（1分为质量差，5分为优秀）。宽带语音质量的提高减少了听力负担和听者的疲劳，特别是当听者处于嘈杂的环境下。移动网络运营商 orange在其网站上提供了一个音频样本作为高清语音优点的例证。2010 年6月orange公司所做的另一项调查进一步向终端用户证明了高清语音的价值：
* 96%的客户对高清语音通话表示满意；
* 86%的测试者表示，兼容高清语音将是他们未来购买手机时的一个选择标准；
* 76%的测试者愿意更换手机以获得高清语音功能。
此外，2006年爱立信和t-mobile进行的用户试用调查也证实了高清语音的优点。在150个抽样用户中，超过70%的人认为使用了高清语音手机后通话质量更好，在嘈杂的环境中对话质量有所提高。
使用高清语音需要语音通信系统中的所有环节都支持宽带语音频率范围。采用高清语音技术的关键是在蜂窝网络和手持电话中协同部署amr-wb编解码。做为 一种宽带语音编码，amr-wb的有效音频带宽是窄带编码amr-nb的两倍。要完成一个高清语音通话，基站和手持电话之间协同传输以amr-wb编码的 语音，在这一过程中没有进行语音修改或从终端到终端的转换编码。如果高清语音连接无法实现，系统就会取而代之使用窄带amr-nb编码。
扩展语音带宽
可以预计，在引入高清语音的过程中，通信系统中的某些环节会因无法支持而将语音转换为窄带频率，这实际上是在降低语音质量，增加听力负担。人工带宽扩展 （bwe）通过在通信系统的终端环节为窄带语音信号加入人工生成的语音内容，弥补在传输过程中损失的高频和低频语音内容。通过这种方法，bwe将高清语音 的优势拓展到了窄带和过渡的混合带宽的语音通信系统中。
bwe算法使用产生语音的声源过滤模型来估算和产生扩展频率范围内的语音内容。 根据该模型，语音是由一个声源（例如声带）再加上一个模拟声道的模型产生的。bwe算法根据窄带语音估算出一个宽带声源模型，然后利用该模型的参数估算出 其丢失的宽带频率内容。在实际应用中，bwe独立于源编码和发送路径处理过程的，因此它可以与传统的窄带和混合带宽的电话网络共存。
bwe主要应用于蓝牙耳机和免提设备。在这些设备的接收终端上，窄带cvsd编码语音信号首先进行解码，然后经过bwe的处理产生给受话方的扩展带宽语音信号。bwe也可以应用在高清语音电话网络上，将语音信号扩展到带宽为14khz的超宽带（swb）频率范围。
高清语音和音效增强
将高清语音和音效增强处理方法（如噪声抑制（ns），回声消除（aec） ）结合在一起可以改善在噪声环境下的语音清晰度，并可以提高整体通话质量。噪声抑制技术能够分析掺杂了噪音的对话，并清除噪音，增加语音辨别度。噪声抑制 算法通过大量频点估算出噪声功率谱密度，然后将噪声从对话出抽取出来。与窄带的处理相比，宽带噪声抑制在计算噪声频谱时包含了更多的频点数据来压缩扩展频 率范围内的噪声。除噪声抑制外，回声消除处理方法能消除发话者和麦克风之间的声音耦合所产生的回音信号。回声消除的工作原理是从麦克风接收到的信号中分离 出一个经过过滤和延迟的副本。回声消除技术能够计算出宽带语音中的自适应过滤系数。
高集成度蓝牙耳机电源管理方案
随着越来越多的手机支持蓝牙功能，蓝牙耳机已成为手机的必备选件。同时，随着支持mp3播放的立体声蓝牙耳机的推出，蓝牙耳机已能够同时连接到蓝牙移动电话和音乐播放器，这必将给蓝牙应用带来新的亮点。
蓝牙耳机的核心是射频和基带处理两部分，为适应功能的集成和设计的小型化，csr、broadcom等公司已将射频和基带处理功能集成在一起，如csr bluecore4高集成的蓝牙芯片，封装最小为6×6mm。整个耳机的电源管理设计要求外围组件少，集成度高，同时满足蓝牙芯片对负载响应和噪声抑制的 要求。
蓝牙耳机多采用锂电池供电，其电压范围为2.7v至4.2v。电池容量为90mah至170mah。为满足更长时间通话及音乐播 放的需要，电池容量有逐渐增加的趋势。另外，基于arm或dsp内核的蓝牙芯片需要两组电源（如1.8v和2.7v）分别对内核和i/o供电。同时，麦克 风也需要一个 “干净”的偏置电压。
基于上述系统电源的需求，microchip推出了高度集成的、小尺寸的电源管理方案，包括 tc1303和mcp73855。其中，tc1303为高集成的电源转换芯片，mcp73855为高集成的线性锂电池充电芯片。tc1303在3×3mm 10引脚dfn封装中集成了一个500ma同步降压转换器和一个300ma低压差ldo，并具有电压正常指示引脚（power-good）。其标准固定电 压输出组合，如1.8v/2.7v，恰好满足bluecore2对电源的要求。图1为tc1303在蓝牙耳机上的应用电路。
图1：tc1303在蓝牙耳机上的应用电路。
图中500ma的同步dc/dc转换器集成了p沟道和n沟道mosfet，采用2mhz的开关频率，转换效率达到92%以上。高开关频率和 pwm/pfm自动切换技术可使工程师选择低至2.2μh的表贴电感和陶瓷电容，即可满足滤波和蓝牙芯片对纹波的要求。tc1303内集成的ldo可提供 300ma的输出电流，且只有137mv电压差。为了进一步减小dc/dc开关噪声对电路设计的影响，在芯片设计时将ldo的电源地引脚和dc/dc电源 地引脚分开，保证了ldo输出可以给i/o部分和麦克风提供“干净”的电压。
图2：mcp73855在蓝牙耳机设计中的应用电路。
tc1303提供的电压正常指示引脚可以连接到蓝牙芯片的i/o，以监视供电电压的状态。电压正常指示引脚可以检测dc/dc输出电压（tc1303a）或ldo输出电压（tc1303b），甚至可分别检测这两路输出，实现顺序上电，满足不同蓝牙芯片对供电的要求。
mcp73855可提供锂电池充电管理功能，片内集成的mosfet、电流检测电阻和反向阻断二极管可提供最大400ma的充电电流，并可通过外接电阻 或直接由i/o输出设置所需的充电电流。mcp73855可自动完成锂电池的预充、恒流、恒压充电控制，并把充电状态输出到led或蓝牙芯片。配合适当的 外围电路，充电状态指示引脚可以驱动双色led，实现充电过程及充电结束的分别显示。图2为mcp73855在蓝牙耳机设计中的应用电路。
tc1303和mcp73855的小尺寸封装（3×3mm）以及简单的外围电路，构成了一个低成本、高性能、高度集成的蓝牙耳机电源管理方案，这个方案 也可适用于最新播放mp3的立体声蓝牙耳机设计。工程师利用它和蓝牙芯片，可以设计更加舒适、时尚、易用，同时重量轻巧的蓝牙立体声耳机，使用户能够在移 动时欣赏音乐，又永远不会漏接电话。
蓝牙无线耳机设计及vxworks移植方法
蓝牙耳机是一种无线语音传输技术，是基于耳机在无线技术方面的延伸。它是相配于蓝牙技术而进入多媒体个人区域网络的。随着蓝牙技术的日趋完善和蓝牙产品 市场占有率逐渐提升，蓝牙耳机在技术上也将不断得到改进，使之成为个人多媒体区域网络的主要配套产品。蓝牙耳机的应用范围除了手机以外，pda、无绳电话 应用、汽车免提工具、电话终端等，也是蓝牙耳机发挥技术优势的应用领域。本文设计的蓝牙耳机支持蓝牙规范1．2版本，传输距离达10 m，传输速率达723．2 kb/s，并且具有低功耗和（几乎）无辐射等技术优点和优势。
1 蓝牙技术
蓝牙作为一种低成本、短距离的无线连接技术标准，是由 ericsson、ibm、intel、nokia和toshiba五家公司共同倡导的一种全球无线技术标准，是一种无线数据与语音通信的开放性全球规 范。它以低成本的短距离无线连接为基础，为固定设备与移动设备通信环境建立一个特别连接。其实质是建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准，实现设 备问的电缆替代。
蓝牙技术规范包括协议和应用规范两个部分。协议定义了各功能元素各自的工作方式，整个蓝牙协议体系结构分为4层，即核 心协议层、线缆替代协议层、电话控制协议层和采纳的其他协议层；应用规范则阐述了为了实现一个特定的应用模型，各层协议间的运转协同机制。较典型的应用规 范有拨号网络、耳机 （headset）、局域网访问和文件传输等。蓝牙耳机的协议栈原理如图1所示。
2 硬件设计
硬件电路信号处理与控制部分采用zeevo公司的基于arm7的音频处理器zv4301。zv4301处理器是在一个单芯片收发器上加入一个集成 rf、数字信号处理、通信处理和运算及控制处理功能的48 mhz apm7微处理器，片外扩展闪存，以实现需要技术和高度最佳化的音频处理。
编解码芯片采用飞利浦公司的udal380音频芯片。udal380是一颗专为便携式产品所设计的单芯片立体声音频编解码器，可以提供立即可用的先进音 频功能。这颗音频编解码器具有24位数据路径、多重时钟支持、dc偏移消除、支持多重数据格式以及数字静音检测等集成功能。本设计中，udal380利用 与微控器接口作音控处理．并利用l3接口来控制音量。
3 i2s总线
本设计在硬件电路上使用基于i2s总线的音频系统体系结构。i2s（inter-ic sound bus）是飞利浦公司提出的串行数字音频总线协议。
i2s总线只处理声音数据，其他信号（如控制信号）必须单独传输。为了使芯片的引脚尽可能少，i2s只使用了三根串行总线。这三根线分别是：提供分时复用功能的数据线（sd）、字段选择线（声道选择ws）、时钟信号线（sck）。
此设计中采用电源统一供电，zv4301作为主设备，udal380作为从设备。zv4301使用3个通用i/o口来模拟i2s总线。其读写i2s总线的数据主要包括以下几个函数；
word_selection（）； //字选择函数
serial_clock（）； //时钟信号函数
serial_data（）； // 串行数据函数
shift_register（）； //寄存器移位函数
4 软件设计
vxworks操作系统是美国windriver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统。良好的持续发展能力、支持多种硬件环境、高性能的内核以及友好的用户开发环境，使之成为所有独立于处理器实时系统中最具特色的操作系统。
在该设计中，软件协议全部下载到蓝牙设备内核处理器的外置闪存中，操作通过人机接口控制。基于vxworks的软件编写工作主要包括：bsp包的改动、 程序的编写和操作系统的裁减。由于vxworks的高度灵活性，可以很容易地对这一操作系统进行定制或作适当开发，来满足系统的实际应用需要。bsp 包的改动指根据目标硬件实际配置修改系统的配置参数宏（mac-ro），主要修改config．h、makefile．h、bspname．h文件。
程序编写函数主要包括以下7个。
（1）系统引导函数
vxworks操作系统在一些板级系统初始化后自动执行tusrroot（）函数，以完成初始化。
tusrroot（）
…… //必要初始化程序
vinitializelmp（）； //lmp初始化完成
vinitializel2cap（）； //l2cap初始化完成
vinitializesdp（）； //sdp初始化完成
vinitializerf（）； //rfcomm初始化完成
vinitializeha（）； //headsetapplication初始化完成
exit（）； //退出
（2）系统初始化函数（以l2cap为例）
typedet
{msg_idsdptol2cap；
msg_id l2captosdp；
msg_id rftol2cap；
msg_id l2captorf；
msg_ld hatosdp；
msg_id sdptoha；
msg_id hatorf；
msg_id rftoha；
}msg_queue_id//定义消息队列1d结构体类型
msg_queue_id msgqueueld； //定义全局消息队列id结构体，用于存放每个消息队列的id
vinitlalizel2cad（）；//l2cap初始化，包括初始化全局变量、创建定时器、创建消息
//队列、创建并启动任务
（3）lmp软件设计
基带程序运行在蓝牙芯片的信号处理单元中，而lmp程序运行在蓝牙芯片的微处理器中，它们通过邮箱来交换信息。只要任何一方向邮箱发送了信息，邮箱就会产生中断信号，另外一方可以在中断服务程序中进行信息读取和处理。其处理函数为；
vlmpdealfrombb（）
//处理来自baseband层的消息以建立连接，对来自baseband层
//的操作码
决定接受与否，并进行鉴权、加密、处理或断开等操作
（4）l2cap软件的设计
tl2capdealmsgfromsdp（）
//处理来自sdp层的消息sdptol2eap，生成l2cap数据包，把数据传baseband层
tl2capdealmsgfromrf（）
//处理来自rfcomm层的消息rftol2cap，生成l2cap数据包，把数据传baseband层
vl2capdealmsgfrombb（）
//处理来自baseband层的消息，在处理器邮箱中断程序被调用
（5）sdp软件的设计
tsdpdealmsgfroml2cap（）
//处理来自l2cap的消息l2captosdp，并上报搜索到的服务的属性
tsdpdealmsgfromha（）
//处理来自headsetapplieation的消息hatosdp，对上报信息进行应答
（6）rfoomm软件的设计
trfdealmsgfromha（）
//处理来自headsetapplication的消息hatorf，生成rfcomm数据包，传送给l2cap
trfdealmsgfroml2cap（）
//处理来自l2cap的消息l2captorf，对不同的帧进行处理
（7）headsetapplication软件的设计
thadealmsgfronasdp（）
//处理来自sdp的消息sdptoha，判断是否正常并处理
thadeaimsgfromrf（）
//处理来自rfcmm的消息rftoha，对at命令及其应答作出处理
5 语音传输建立过程
蓝牙耳机系统工作时总是蓝牙语音网关（ag）和蓝牙耳机（hs）成对出现的。其通信所用到的协议栈及实体如图4所示。
蓝牙设备连结的建立遵循底层到高层的原则，即搜索蓝牙设备、建立链路、服务搜索、建立信道、建立连接和数据传输。
以下是音频连接建立的全过程。（以ag主动发起连接请求为例。）
①ag首先发起查询，通过查询ag获得hs的蓝牙地址。
②ag在应用层的驱动下向查询到的hs发起一个page进程。当接收到hs返回的应答信号时，ag与hs之间的acl链接已经成功建立。
③一旦acl链接建立，即可以被用来传送振铃信号。振铃信号的发送是通过at命令ring来完成的。
④acl链接好后，接着建立l2cap链路。ag首先在信令信道上发送一个链接请求信令l2cap_req，要求建立信道标号为0x0040的 l2cap。当hs返回链接响应信号时，表明0x0040信道已经建立好。然后对此信道进行配置，配置完信道后，就可以利用此cid（信道标识符）为 0x0040的l2cap信道进行sdp查询。
⑤ag在l2cap信道上发送一个sdp查询包。sdp查询包将查询sdp服务器端hs 是否具有所需要的服务。若查询成功，在acl链路上，ag再建立一条标号为0x0041的l.2cap链路，用来传输rfcomm数据；同时，断开用作 sdp查询的标号为0x0040的l2cap链路。
⑥当cid为0x004l的l2cap信道建立好之后，首先建立控制信道 dicio，ag在信道上发送一个sabm帧，即要求建立rfcomm层上的 channel o。如果响应方hs希望建立链接，返回一个va帧，表明已经建立好了channel 0这条rfcomm信道。此信道为控制信道，用来传送携带控制信息和命令的uim帧。如果响应方hs不希望建立链接，返回一个dm帧。其次建立数据信道， 先是对数据传送信道的参数进行协商，协商命令pn参数包括对将要建立的信道channel 1的优先级，最大帧长等，当双方协商好后建立传输数据的信道channell。
⑦通过rfoomm信道传输hs控制层的at命令，即在rfcomm数据传送信道channe1上利用uih帧传送at+ckpd命令。当接收到对方的响应后，就可以开始建立sco链接。
⑧hci（主机控制接口）发一个write_voice_setting命令，对音频状态进行一些设置。当接收到ag的建立sc0链接
的请求时，若hs允许，发送一个接收的hci命令，在命令完成之后，传输音频信号的sc0链路就建立好了，此时就可以进行语音通信。
结语
本文给出了蓝牙及蓝牙耳机系统的基本概念及其在软硬件方面的具体实现。蓝牙耳机使用户摆脱线缆的束缚，能够在较大的自由空间内通话。由于采用专用的声音 编解码芯片和标准音频取样率44．1 khz，并经过先进的信号处理技术，能够使声音效果接近cd音质，这样也使蓝牙耳机真正取代有线耳机成为可能。
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耳机放大电路
双三极管ecc822电子管组成的otl耳机放大器电路
本文用双三极管ecc82（相当于e802c、e82cc、与北美12au7、国产6n10型）作为放大器。此类管子有指标优良和使用寿命长的特点。
如图所示电路，用双三极管ecc82（相当于e802c、e82cc、与北美12au7、国产6n10型）作为放大器。此类管子l有指标优良和使用寿命 长的特点。前置放大器要产生足够的信号幅度去驱动耳机。管脚1、2、3、的三极管部分放大信号。输入信号通过50kω音量控制对数式电位器p1（p1不在 图 i中表示）到达电路板，再经过c1、r1直接输给前置放大级，而r1、c1l提供必需负栅偏压。增益实质上由r8决定。而最大输入电压由r2决定。r9是 这样确定．即把静态阳极电流选在特性曲线最大可能的线性部分。在阳极上被倒相和放大的输入信号通过c2耦合到第二级栅极。第二级阴极电阻被分成r5和r6 两部分。r5和r6串联形成负载电阻。其分压作用为栅偏压选择一个正确值。栅偏压加到栅极之前经r4和c3退耦和稳定。由栅偏压和相应特性曲线决定的阳极 电流在r5和r6上形成压降，严格地与电流成比例关系。此电压接着经过耦合电容c4馈给耳机。为避免耳机插入时产生喀啦噪声，接入r7保持输出在dc信号 地电位。上述仅介绍l（左）声道电路工作原理。右声道与此相同。
分立元件耳机放大电路以及差分功放仿真电路
分立元件耳机放大电路
电路图opa2134和三极管等元件组成。
差分功放仿真电路
三极管耳机兼线路放大器
本文介绍用3只电子管组装的低阻抗线路放大器兼32ω耳机放大器，它采用差动推挽放大和变压器输出，电路简单容易制作，又可一机二用，值得有兴趣的耳机爱好者仿制。
高保真立体声耳机的电声性能越来越好。它的声音不受房间声学条件的影响，也不会影响旁人的工作或休息，更有利于聆听者全神贯注地领略音乐的旋律、节奏和 感人的气氛。再加上耳机听音系统的成本低、音质好，日益受到发烧友的青睐。不过，利用一般功放的耳机插口聆听音乐的效果还不够理想，比较好的办法是为耳机 专门定制一台耳机放大器，现在已成为用耳机欣赏音乐的共识。
本文介绍用3只电子管组装的低阻抗线路放大器兼32ω耳机放大器，它采用差动推挽放大和变压器输出，电路简单容易制作，又可一机二用，值得有兴趣的耳机爱好者仿制。
一.电路和原理
图1为本机电原理图（只画出左声道，电源则为左右声道共用）。整机放大部分只用3只mt电子管。一只12at7/ecc81双三极管作左、右声道的输入 级，一只12au7/ecc82双三极管作一个声道的差动推挽输出级。由于这个电路本身具有倒相作用，因而可省去一级倒相电路，简化了电路结构。
输入端设有两组输入端子a、b，可用开关切换。为了改善整机特性，输入级加有来自输出级的负反馈。反馈量取lodb比较适中。该管也可选用12au7，不过增益略低，本电路选用12at7，以保证增益和必要的负反馈量。
输出级采用12au7作推挽放大，如前所述它兼有倒相作用，故它无需输入反相信号而只有一个信号输入端。这个电路初看起来不太容易理解，其实它就是我们 熟悉的差分放大器。在晶体管电路中，差分放大器是司空见惯的，在电子管电路中差分放大器的使用相对比较少见。下面稍微说明一下。
这个电路结构与晶体管差分放大器完全相同。它有两个信号输入端子，两个信号输出端子，阴极共用一个电阻。屏极采用电阻作负载。差放的运用相当灵活。它可 以在两个输入端子上都加信号，也可以只在一个输入端子上加信号。而输出信号可从两个输出端子上得到，也可从一个输出端子上获得。
下面为常见的3种工作方式。
（1）当两个输入端加上同相位、同幅度的信号时。在两个输出端子上得到同相位、同幅度的输出信号。如作推挽输出时，则两者信号相互抵消，这对抑止输入噪声的输出十分有利。
（2）当两个输入端加上反相的同幅度信号时，输出端则得到两个幅度相同的反相输出信号。
（3）当仅在一个输入端加上信号时，两个输出端上将获得幅度相同、相位相反的输出信号。
本机输出级采用单端输入信号（另一输入端接地）、双端输出信号的工作方式（屏极用一输出变压器代替两个负载电阻）。它既有（3）点的倒相作用，又有（1）点的抑噪作用，电路又简单。
为了提高差分放大电路的对称性及其特性，图1输出级两只三极管阴极采用了恒流源电路，为此使用了一块lm317稳压ic.作为耳机放大器，额定输出功率 有100mw已经足够，本机采用12au7作差分推挽放大，屏极电压取180v，屏极电流约7.5ma，栅偏压约一6v，采用输出变压器的初级阻抗为。 10kω时的a类最大输出功率约150row.此时屏极功耗为180v×7.5ma=1.35w，不到12au7最大屏极损耗的一半，是相当安全的。
最后要说明，本机作耳机放大器使用时，供阻抗为32ω的耳机配合16ω端子使用，此时输出级的实际负载阻抗为20kq.当作线路放大器使用时，同样使用 16 q端子。不过为了避免因配接的后级功放输入阻抗不同而造成本机输出级的负载阻抗大幅度变动，16 ω端子应并联一只33 n（2w）电阻到地。另外，本机的增益约3.2倍，作为线路放大器且与cd机直驳使用时，本机显得增益过大，此时最好在输出端接入图3所示的衰减网络。选 择适当的衰减量；使系统正常聆听时本机的音量电位器的转角行程为一半左右，这样可使本机工作在最佳状态下。至于作为耳机放大器，线路放大器以及配接衰减网 络之间如何实现相应的转换（用适当的转换开关等），请制作者根据自己的实际需要自行设计，这里不再赘述。
二.元件和制作
本机大部分元件都很一般，图1中已注明了要求，未注明要求的电阻均选用1/2 w的。稳流源所用的电阻（50 q、82 q）和灯丝稳压ic所用的电阻（240t2、100t2、2k ω）宜用1％误差的电阻。高频相位补偿网络（200pf‘、30kω）中的电容可选用一般的云母电容器。
输出变压器采用日本平田电机制作所的fe—10一lo，其外形尺寸和接线端子如图4所示。主要特性如下：（1）输出功率：10w（50hz）
（2）频率响应：20hz～50khz（一ldb，输入4v，2rn=zp）
（3）一次侧电感：l 0 0 h（1mw），最大50h（50hz）
（4）一次侧容许dc电流：双管90ma（不平衡电流4ma）
（5）功率损耗：0.41db（16 ω）
（6）一次侧dc电阻：410ω输出级阴极恒流源采用可调三端稳压ic接成恒流电路，采用lm31 7t可安装在小型散热片上，并注意与底盘之间的绝缘要可靠。为使稳压ic作为恒流器件使用，只需在l=m317t输出端接一电阻即可达到规定的恒流值。该 电阻可用1.25（v）/i（a）来求得。本机输出级每管电流为7.5ma，两管为15ma即o.015a，故r=1.25v/o.015a=83 q，图l中选用82 ω。lm317t正常工作时要求其输入至输出端之间的压降大于3v.本机输出级阴极对地电压约6v，其输出端子对地电压为1.2 5v，输入端子电压则可在4.25v以上，能满足正常工作要求。在lm 3l 7t输入端子和12au7阴极之间的50ω电阻是用来检测阴极电流所设。灯丝供电采用lm3 50t稳压（也可采用lm317t），安装时应加小型散热片。安装时无论lm 3l 7还是lm350其3个端子切勿搞错。
图5为本机面板、底盘上下主要元件布置示意图。电源和输出变压器均安装于底盘上面，其中输出变压器卧式安装。所有大电解电容器均卧式安装在底盘下面。电子管及上述电解电容附近都设置了支架，以便直接搭接相关元件。
信号输入端引线采用双芯屏蔽线。图6为双芯屏蔽线的使用图示。双芯屏蔽线中的两根芯线分别为信号线的“热端”和“冷端”，屏蔽层则接地。也就是说在屏蔽层中没有流过信号，因而信号不易受到其他杂散电流的干扰。
三.调蔓和性能
配线完成且检查无误之后可通电试验。首先断开电源二次侧高压接线，然后在不插入电子管的情况下接通电源，检查各管灯丝电压是否正常。该电压约为12.3v.如偏差过大，可微调lm350调整端对地的电阻值（100ω）。
灯丝电压正常后，可断开电源并恢复电源高压接线。然后插好各电子管再次接通电源，听和看整机有无异常声响或其他情况。如无异常情况，可用万用表测试各管 阴极电压。通常，只要阴极电压正常，管子的工作状态就多半没有什么问题。 输出级的有效屏极电压约180v，阴极电压约一5.6v.屏极电流可测量阴极50ω电阻上的压降得知。实测为1 5.6ma，每管电流为7.8ma.三端稳压ic上有3v压降就能进行正常的稳流工作。
现在来看一下本机的各项实测性能。
四.输入/输出特性
本机增益为3.2倍，削波前的输出电压为2.6v，因此在33ω耳机上输出功率可达205mw，是设计值的1.3倍以上。这对耳放来说功率已十分充裕。 图7为本机输入/输出特性，随着输入信号增加，在削波之前出现“圆顶”失真，能看到真正削波时的输出功率实际上达到270mw。
（2）频响特性
图8为本机频响特性。作为耳机放大器，测试时功率取30mw.由图可见lohz时为一0.3db，100khz时为一1.3db，无疑是一款宽频带耳 放。图中还给出了10mv时的特性，这是推挽输出变压器在小输出下工作时初级电感有所降低所引起的。不过低频的下降也仅0.8db，仍是相当优秀。
（3）失真特性图9为本机的失真特性。10mw输出时100hz的失真为o.15％，1khz失真为0.1％，10khz为o.12％，应该说还算不错。
其他特性方面，也都不错。阻尼系数在33 n负载下，20hz～20khz全频段范围内达到8.3.这对获得良好的低音重放是很重要的。左右声道的分离度lkhz时达到一70db.高频20khz 一般不超过一60db，完全没有什么问题。用耳机欣赏音乐时，残留噪声也是一项重要指标。本机低达0.03～0.0 41“12v，这对于灵敏度为loodb/mw的耳机，即使音量置于最大位置，也完全听不到任何噪声。本机方波响应也很好，接上0.1 u f纯电容负载也不必担心电路会产生振荡。
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蓝牙耳机系统电路设计方案
引言
bluetooth（蓝牙技术）是由爱立信、诺基亚、摩托罗拉、英特尔、ibm和日立等信息技术公司发起的一种短距离无线通信协议标准。由于 bluetooth技术具有低功耗、抗干扰能力强、适用于多种通信场所以及集成电路相对简单，因此蓝牙技术作为一种替代有线电缆的无线接口技术具有广阔的 市场前景。蓝牙技术正成为移动电话、pda、mp3player和电脑中的标准配置，蓝牙技术主流应用之一是通过蓝牙耳机欣赏上述产品蓝牙接口发送出来的 高品质音乐和实现免提通话，然而技术的普及速度除了与技术本身的先进与否有关外，还与实现成本的高低密切相关，市场上的蓝牙耳机价格少则几百，多则上千 元，而移动电话本身价格大多也不过千元，蓝牙耳机的相对高价位导致了它的市场普及速度和广度远低于移动电话，本文正式根据这一 xian，基于csr蓝牙芯片bc358239a提出了一种低成本蓝牙耳机电路设计方案，对蓝牙耳机的普及必将起到重要作用。
一．蓝牙耳机架构和芯片介绍
图一 蓝牙耳机的结构
应用到蓝牙耳机的芯片除了低成本、低功耗、外围电路简单以外，提供的软件开发工具齐全以及芯片封装小也很重要，下面对蓝牙耳机的主要芯片作简要介绍。
1．bc358239a介绍：
bc358239a芯片频率范围2.402～2.480ghz，发射功率可高达＋4db，内置有8比特dac（数模转换器）可自动调整发射功率，无需外 部 balun（平衡不平衡转换器和功放即可符合蓝牙v1.2规格；0.1%ber（比特误码率）时典型接收灵敏度－85db；全集成的频率合成器，可支持 8～40mhz外部时钟输入又可外接cristal（晶振）；内部集成dsp（数字信号处理器）速度可达32mips，32bit指令字，24bit数据 存储器，内置4k字程序存储器，两个8k字数据存储器，足以支持耳机应用软件设计需要；片上ldo（低压差线性稳压器），支持u-law和a-law 语音代码转换，支持i2s又支持pcm语音接口， 深度睡眠模式功耗不超过10ua；10x10mm 的lfbga封装，只需较小的pcb尺寸。bc358239a内部结构见图二。
图二 bc358239a内部结构
此外bc358239a还有内置ldo，其输出电压1.8v，其最大输出电流可达70ma，完全可满足蓝牙芯片自身需要。
bc358239a的蓝牙的软件架构具备相当的灵活性，蓝牙应用程序可以运行于bc358239a外部，也可由内部risc处理器处理。
2．wm8731介绍
wm8731是wolfson公司推出的一款适合于语音应用的codec（编码解码器），它能为自身的mic（麦克风）输入提供偏置电压，内部有两组 adc（模数转换器）和dac（数模转换器），其抽样频率从8khz到96khz.串行控制接口可选择为两线制和三线制。其音频接口可通过编程设置为 i2s或pcm接口形式。28pin5x5x0.9mm的qfn封装，特别适合对pcb面积有限制的应用。功耗极低，应用pcm接口通信时电流自由 20ma左右，寄存器的正确设置可使待机功耗保持在15ua以下。
3．充电芯片sc805和ldo rt9169-3.3
semtech公司的sc805是一款功能强大的cccv（恒流恒压）充电芯片，可编程的预充、快充和中止充电电流，使得它既可和pmu（电源管理）芯 片组合成充电管理电路，也可单独作为锂电池充电控制芯片。热保护、过流保护、电池充电电压精度可达1％使得它安全可靠；输入电压范围从3v到6v，充电电 流最大可达1a，3x3mmmlp封装，适合消费类电子使用。
rt9169-3.3是richtech公司生产的100ma低噪声3.3vldo，它具有较低静态电流（低达4ua），较高的纹波抑制比，符合蓝牙耳机 wm8731和蓝牙芯片内部ldo对电源的要求。
二．电路设计和软件设计要点。
耳机电源的开关和音量调节可利用蓝牙芯片bc358239a的pio口；从rt9169输出的3.3v电源送到蓝牙内置ldo输入端时注意在输入端加适 当的去偶电容，蓝牙芯片的vdd_ana（内置ldo1.8v输出端）须加上去偶电容，以防止送到蓝牙芯片的电源引入干扰导致蓝牙rf频偏过大，与此同时 蓝牙外接的cristial（晶振）精度要求至少10ppm，否则也会影响蓝牙rf指标。
wm8731的电源输入端hpvdd、 dcvdd、dbvdd和avdd都可用ldort9169的3.3v输出，在wm8731的电源端加上适当去偶可以改善wm8731输出的音频品 质；wm8731时钟可利用蓝牙芯片的aio3引脚的可编程时钟输出。 wm8731与bc358239a的pcm接口相连时wm8731的adclrc和daclrc同时连接蓝牙pcm_sync。
bchs（bluecorehostsoftware）是csr为客户提供蓝牙产品设计提供的开发软件，bchs和蓝牙的协议栈共同组成了蓝牙产品的软件解决方案。蓝牙耳机的软件架构可参考图四
图三 蓝牙耳机软件架构
图三中vmapplicationsoftware（虚拟机器应用软件）包括tcs（电话控制协议），它定义了蓝牙耳机建立语音和数据呼叫的控制信令， 定义了处理蓝牙tcs设备群的移动管理进程；应用程序功能包括通过i2c总线写wm8731寄存器控制耳机音量，电池低电压报警等功能。
结论：
蓝牙耳机的低成本解决方案总是与蓝牙和语音解码芯片的价格降低相伴而生，随着蓝牙接口在移动电话、pda、mp3player和电脑中的迅速普及，蓝牙耳机取代有线耳机已成为技术发展的必然趋势。
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高清语音技术在手机和蓝牙耳机中的应用
高清语音也被称为宽带语音，是一种能为蜂窝网络、移动电话和无线耳机传输高清、自然语音质量的音频技术。与传统的窄带电话相比，高清语音很大程度上提高了语音质量，减少了听觉负担。
通信产业链上的所有网络和设备都需支持高清语音才能体现出该技术的优点。到2011年6月为止，18个国家运营的20种蜂窝网络，以及33家领先的手机 品牌都已支持高清语音。通过部署自适应多速率宽带（amr-wb）语音编码，gsm， wcdma（umts）和lte蜂窝网络中已经引入了高清语音。此外， 通过使用改良的子带编码（msbc）语音编解码技术，无线蓝牙耳机也开始支持高清语音，将免提通话与高语音质量结合在了一起。
高清语音的优点同样可以在现有网络中体现出来。随着窄带网络和设备向高清语音过渡，一种名为带宽扩展（bwe）的语音处理技术可以用来在接收终端设备上模拟类似于高清语音的通话质量，为不支持高清语音的设备提供了一个折中的解决方案。
从窄带到高清语音
传统电话系统的带宽被限制在大约300hz到3.4khz的音频频率范围内（图表1），这一范围通常被称为窄带语音。尽管现在的电话系统是数字式的，但 其还是传承了与传统模拟系统相同的带宽。从语音质量的角度来看，窄带语音缺乏自然语音保真度，常常被形容为单薄和模糊不清。尽管如此，窄带频率范围内完整 语句的语音辨别度大概是99%。
图1：窄带和宽带语音的带宽特点
高清语音在采样频率为16khz时音频带宽大约为50hz至7khz，因此与窄带语音相比具有更清晰的语音信号。虽然宽带语音并没有显著提高语音清晰 度，但是窄带范围之外的3.4khz至7khz提高了单词中的摩擦音（例如f、s和th） 的识别度。宽带语音能够提供更加自然真实的语音，在主观音频质量方面比窄带语音有了显著的提高。高清语音扩展出的50hz至300hz的低频降低了窄带语 音尖细的特点，而扩展出的高频则提高了发音清晰度。
在主观语音质量听力测试中，宽带语音在平均意见得分（mos）中得到4.5分，而窄 带语音则为3.2分（1分为质量差，5分为优秀）。宽带语音质量的提高减少了听力负担和听者的疲劳，特别是当听者处于嘈杂的环境下。移动网络运营商 orange在其网站上提供了一个音频样本作为高清语音优点的例证。2010 年6月orange公司所做的另一项调查进一步向终端用户证明了高清语音的价值：
* 96%的客户对高清语音通话表示满意；
* 86%的测试者表示，兼容高清语音将是他们未来购买手机时的一个选择标准；
* 76%的测试者愿意更换手机以获得高清语音功能。
此外，2006年爱立信和t-mobile进行的用户试用调查也证实了高清语音的优点。在150个抽样用户中，超过70%的人认为使用了高清语音手机后通话质量更好，在嘈杂的环境中对话质量有所提高。
使用高清语音需要语音通信系统中的所有环节都支持宽带语音频率范围。采用高清语音技术的关键是在蜂窝网络和手持电话中协同部署amr-wb编解码。做为 一种宽带语音编码，amr-wb的有效音频带宽是窄带编码amr-nb的两倍。要完成一个高清语音通话，基站和手持电话之间协同传输以amr-wb编码的 语音，在这一过程中没有进行语音修改或从终端到终端的转换编码。如果高清语音连接无法实现，系统就会取而代之使用窄带amr-nb编码。
扩展语音带宽
可以预计，在引入高清语音的过程中，通信系统中的某些环节会因无法支持而将语音转换为窄带频率，这实际上是在降低语音质量，增加听力负担。人工带宽扩展 （bwe）通过在通信系统的终端环节为窄带语音信号加入人工生成的语音内容，弥补在传输过程中损失的高频和低频语音内容。通过这种方法，bwe将高清语音 的优势拓展到了窄带和过渡的混合带宽的语音通信系统中。
bwe算法使用产生语音的声源过滤模型来估算和产生扩展频率范围内的语音内容。 根据该模型，语音是由一个声源（例如声带）再加上一个模拟声道的模型产生的。bwe算法根据窄带语音估算出一个宽带声源模型，然后利用该模型的参数估算出 其丢失的宽带频率内容。在实际应用中，bwe独立于源编码和发送路径处理过程的，因此它可以与传统的窄带和混合带宽的电话网络共存。
bwe主要应用于蓝牙耳机和免提设备。在这些设备的接收终端上，窄带cvsd编码语音信号首先进行解码，然后经过bwe的处理产生给受话方的扩展带宽语音信号。bwe也可以应用在高清语音电话网络上，将语音信号扩展到带宽为14khz的超宽带（swb）频率范围。
高清语音和音效增强
将高清语音和音效增强处理方法（如噪声抑制（ns），回声消除（aec） ）结合在一起可以改善在噪声环境下的语音清晰度，并可以提高整体通话质量。噪声抑制技术能够分析掺杂了噪音的对话，并清除噪音，增加语音辨别度。噪声抑制 算法通过大量频点估算出噪声功率谱密度，然后将噪声从对话出抽取出来。与窄带的处理相比，宽带噪声抑制在计算噪声频谱时包含了更多的频点数据来压缩扩展频 率范围内的噪声。除噪声抑制外，回声消除处理方法能消除发话者和麦克风之间的声音耦合所产生的回音信号。回声消除的工作原理是从麦克风接收到的信号中分离 出一个经过过滤和延迟的副本。回声消除技术能够计算出宽带语音中的自适应过滤系数。
高集成度蓝牙耳机电源管理方案
随着越来越多的手机支持蓝牙功能，蓝牙耳机已成为手机的必备选件。同时，随着支持mp3播放的立体声蓝牙耳机的推出，蓝牙耳机已能够同时连接到蓝牙移动电话和音乐播放器，这必将给蓝牙应用带来新的亮点。
蓝牙耳机的核心是射频和基带处理两部分，为适应功能的集成和设计的小型化，csr、broadcom等公司已将射频和基带处理功能集成在一起，如csr bluecore4高集成的蓝牙芯片，封装最小为6×6mm。整个耳机的电源管理设计要求外围组件少，集成度高，同时满足蓝牙芯片对负载响应和噪声抑制的 要求。
蓝牙耳机多采用锂电池供电，其电压范围为2.7v至4.2v。电池容量为90mah至170mah。为满足更长时间通话及音乐播 放的需要，电池容量有逐渐增加的趋势。另外，基于arm或dsp内核的蓝牙芯片需要两组电源（如1.8v和2.7v）分别对内核和i/o供电。同时，麦克 风也需要一个 “干净”的偏置电压。
基于上述系统电源的需求，microchip推出了高度集成的、小尺寸的电源管理方案，包括 tc1303和mcp73855。其中，tc1303为高集成的电源转换芯片，mcp73855为高集成的线性锂电池充电芯片。tc1303在3×3mm 10引脚dfn封装中集成了一个500ma同步降压转换器和一个300ma低压差ldo，并具有电压正常指示引脚（power-good）。其标准固定电 压输出组合，如1.8v/2.7v，恰好满足bluecore2对电源的要求。图1为tc1303在蓝牙耳机上的应用电路。
图1：tc1303在蓝牙耳机上的应用电路。
图中500ma的同步dc/dc转换器集成了p沟道和n沟道mosfet，采用2mhz的开关频率，转换效率达到92%以上。高开关频率和 pwm/pfm自动切换技术可使工程师选择低至2.2μh的表贴电感和陶瓷电容，即可满足滤波和蓝牙芯片对纹波的要求。tc1303内集成的ldo可提供 300ma的输出电流，且只有137mv电压差。为了进一步减小dc/dc开关噪声对电路设计的影响，在芯片设计时将ldo的电源地引脚和dc/dc电源 地引脚分开，保证了ldo输出可以给i/o部分和麦克风提供“干净”的电压。
图2：mcp73855在蓝牙耳机设计中的应用电路。
tc1303提供的电压正常指示引脚可以连接到蓝牙芯片的i/o，以监视供电电压的状态。电压正常指示引脚可以检测dc/dc输出电压（tc1303a）或ldo输出电压（tc1303b），甚至可分别检测这两路输出，实现顺序上电，满足不同蓝牙芯片对供电的要求。
mcp73855可提供锂电池充电管理功能，片内集成的mosfet、电流检测电阻和反向阻断二极管可提供最大400ma的充电电流，并可通过外接电阻 或直接由i/o输出设置所需的充电电流。mcp73855可自动完成锂电池的预充、恒流、恒压充电控制，并把充电状态输出到led或蓝牙芯片。配合适当的 外围电路，充电状态指示引脚可以驱动双色led，实现充电过程及充电结束的分别显示。图2为mcp73855在蓝牙耳机设计中的应用电路。
tc1303和mcp73855的小尺寸封装（3×3mm）以及简单的外围电路，构成了一个低成本、高性能、高度集成的蓝牙耳机电源管理方案，这个方案 也可适用于最新播放mp3的立体声蓝牙耳机设计。工程师利用它和蓝牙芯片，可以设计更加舒适、时尚、易用，同时重量轻巧的蓝牙立体声耳机，使用户能够在移 动时欣赏音乐，又永远不会漏接电话。
蓝牙无线耳机设计及vxworks移植方法
蓝牙耳机是一种无线语音传输技术，是基于耳机在无线技术方面的延伸。它是相配于蓝牙技术而进入多媒体个人区域网络的。随着蓝牙技术的日趋完善和蓝牙产品 市场占有率逐渐提升，蓝牙耳机在技术上也将不断得到改进，使之成为个人多媒体区域网络的主要配套产品。蓝牙耳机的应用范围除了手机以外，pda、无绳电话 应用、汽车免提工具、电话终端等，也是蓝牙耳机发挥技术优势的应用领域。本文设计的蓝牙耳机支持蓝牙规范1．2版本，传输距离达10 m，传输速率达723．2 kb/s，并且具有低功耗和（几乎）无辐射等技术优点和优势。
1 蓝牙技术
蓝牙作为一种低成本、短距离的无线连接技术标准，是由 ericsson、ibm、intel、nokia和toshiba五家公司共同倡导的一种全球无线技术标准，是一种无线数据与语音通信的开放性全球规 范。它以低成本的短距离无线连接为基础，为固定设备与移动设备通信环境建立一个特别连接。其实质是建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准，实现设 备问的电缆替代。
蓝牙技术规范包括协议和应用规范两个部分。协议定义了各功能元素各自的工作方式，整个蓝牙协议体系结构分为4层，即核 心协议层、线缆替代协议层、电话控制协议层和采纳的其他协议层；应用规范则阐述了为了实现一个特定的应用模型，各层协议间的运转协同机制。较典型的应用规 范有拨号网络、耳机 （headset）、局域网访问和文件传输等。蓝牙耳机的协议栈原理如图1所示。
2 硬件设计
硬件电路信号处理与控制部分采用zeevo公司的基于arm7的音频处理器zv4301。zv4301处理器是在一个单芯片收发器上加入一个集成 rf、数字信号处理、通信处理和运算及控制处理功能的48 mhz apm7微处理器，片外扩展闪存，以实现需要技术和高度最佳化的音频处理。
编解码芯片采用飞利浦公司的udal380音频芯片。udal380是一颗专为便携式产品所设计的单芯片立体声音频编解码器，可以提供立即可用的先进音 频功能。这颗音频编解码器具有24位数据路径、多重时钟支持、dc偏移消除、支持多重数据格式以及数字静音检测等集成功能。本设计中，udal380利用 与微控器接口作音控处理．并利用l3接口来控制音量。
3 i2s总线
本设计在硬件电路上使用基于i2s总线的音频系统体系结构。i2s（inter-ic sound bus）是飞利浦公司提出的串行数字音频总线协议。
i2s总线只处理声音数据，其他信号（如控制信号）必须单独传输。为了使芯片的引脚尽可能少，i2s只使用了三根串行总线。这三根线分别是：提供分时复用功能的数据线（sd）、字段选择线（声道选择ws）、时钟信号线（sck）。
此设计中采用电源统一供电，zv4301作为主设备，udal380作为从设备。zv4301使用3个通用i/o口来模拟i2s总线。其读写i2s总线的数据主要包括以下几个函数；
word_selection（）； //字选择函数
serial_clock（）； //时钟信号函数
serial_data（）； // 串行数据函数
shift_register（）； //寄存器移位函数
4 软件设计
vxworks操作系统是美国windriver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统。良好的持续发展能力、支持多种硬件环境、高性能的内核以及友好的用户开发环境，使之成为所有独立于处理器实时系统中最具特色的操作系统。
在该设计中，软件协议全部下载到蓝牙设备内核处理器的外置闪存中，操作通过人机接口控制。基于vxworks的软件编写工作主要包括：bsp包的改动、 程序的编写和操作系统的裁减。由于vxworks的高度灵活性，可以很容易地对这一操作系统进行定制或作适当开发，来满足系统的实际应用需要。bsp 包的改动指根据目标硬件实际配置修改系统的配置参数宏（mac-ro），主要修改config．h、makefile．h、bspname．h文件。
程序编写函数主要包括以下7个。
（1）系统引导函数
vxworks操作系统在一些板级系统初始化后自动执行tusrroot（）函数，以完成初始化。
tusrroot（）
…… //必要初始化程序
vinitializelmp（）； //lmp初始化完成
vinitializel2cap（）； //l2cap初始化完成
vinitializesdp（）； //sdp初始化完成
vinitializerf（）； //rfcomm初始化完成
vinitializeha（）； //headsetapplication初始化完成
exit（）； //退出
（2）系统初始化函数（以l2cap为例）
typedet
{msg_idsdptol2cap；
msg_id l2captosdp；
msg_id rftol2cap；
msg_id l2captorf；
msg_ld hatosdp；
msg_id sdptoha；
msg_id hatorf；
msg_id rftoha；
}msg_queue_id//定义消息队列1d结构体类型
msg_queue_id msgqueueld； //定义全局消息队列id结构体，用于存放每个消息队列的id
vinitlalizel2cad（）；//l2cap初始化，包括初始化全局变量、创建定时器、创建消息
//队列、创建并启动任务
（3）lmp软件设计
基带程序运行在蓝牙芯片的信号处理单元中，而lmp程序运行在蓝牙芯片的微处理器中，它们通过邮箱来交换信息。只要任何一方向邮箱发送了信息，邮箱就会产生中断信号，另外一方可以在中断服务程序中进行信息读取和处理。其处理函数为；
vlmpdealfrombb（）
//处理来自baseband层的消息以建立连接，对来自baseband层
//的操作码
决定接受与否，并进行鉴权、加密、处理或断开等操作
（4）l2cap软件的设计
tl2capdealmsgfromsdp（）
//处理来自sdp层的消息sdptol2eap，生成l2cap数据包，把数据传baseband层
tl2capdealmsgfromrf（）
//处理来自rfcomm层的消息rftol2cap，生成l2cap数据包，把数据传baseband层
vl2capdealmsgfrombb（）
//处理来自baseband层的消息，在处理器邮箱中断程序被调用
（5）sdp软件的设计
tsdpdealmsgfroml2cap（）
//处理来自l2cap的消息l2captosdp，并上报搜索到的服务的属性
tsdpdealmsgfromha（）
//处理来自headsetapplieation的消息hatosdp，对上报信息进行应答
（6）rfoomm软件的设计
trfdealmsgfromha（）
//处理来自headsetapplication的消息hatorf，生成rfcomm数据包，传送给l2cap
trfdealmsgfroml2cap（）
//处理来自l2cap的消息l2captorf，对不同的帧进行处理
（7）headsetapplication软件的设计
thadealmsgfronasdp（）
//处理来自sdp的消息sdptoha，判断是否正常并处理
thadeaimsgfromrf（）
//处理来自rfcmm的消息rftoha，对at命令及其应答作出处理
5 语音传输建立过程
蓝牙耳机系统工作时总是蓝牙语音网关（ag）和蓝牙耳机（hs）成对出现的。其通信所用到的协议栈及实体如图4所示。
蓝牙设备连结的建立遵循底层到高层的原则，即搜索蓝牙设备、建立链路、服务搜索、建立信道、建立连接和数据传输。
以下是音频连接建立的全过程。（以ag主动发起连接请求为例。）
①ag首先发起查询，通过查询ag获得hs的蓝牙地址。
②ag在应用层的驱动下向查询到的hs发起一个page进程。当接收到hs返回的应答信号时，ag与hs之间的acl链接已经成功建立。
③一旦acl链接建立，即可以被用来传送振铃信号。振铃信号的发送是通过at命令ring来完成的。
④acl链接好后，接着建立l2cap链路。ag首先在信令信道上发送一个链接请求信令l2cap_req，要求建立信道标号为0x0040的 l2cap。当hs返回链接响应信号时，表明0x0040信道已经建立好。然后对此信道进行配置，配置完信道后，就可以利用此cid（信道标识符）为 0x0040的l2cap信道进行sdp查询。
⑤ag在l2cap信道上发送一个sdp查询包。sdp查询包将查询sdp服务器端hs 是否具有所需要的服务。若查询成功，在acl链路上，ag再建立一条标号为0x0041的l.2cap链路，用来传输rfcomm数据；同时，断开用作 sdp查询的标号为0x0040的l2cap链路。
⑥当cid为0x004l的l2cap信道建立好之后，首先建立控制信道 dicio，ag在信道上发送一个sabm帧，即要求建立rfcomm层上的 channel o。如果响应方hs希望建立链接，返回一个va帧，表明已经建立好了channel 0这条rfcomm信道。此信道为控制信道，用来传送携带控制信息和命令的uim帧。如果响应方hs不希望建立链接，返回一个dm帧。其次建立数据信道， 先是对数据传送信道的参数进行协商，协商命令pn参数包括对将要建立的信道channel 1的优先级，最大帧长等，当双方协商好后建立传输数据的信道channell。
⑦通过rfoomm信道传输hs控制层的at命令，即在rfcomm数据传送信道channe1上利用uih帧传送at+ckpd命令。当接收到对方的响应后，就可以开始建立sco链接。
⑧hci（主机控制接口）发一个write_voice_setting命令，对音频状态进行一些设置。当接收到ag的建立sc0链接
的请求时，若hs允许，发送一个接收的hci命令，在命令完成之后，传输音频信号的sc0链路就建立好了，此时就可以进行语音通信。
结语
本文给出了蓝牙及蓝牙耳机系统的基本概念及其在软硬件方面的具体实现。蓝牙耳机使用户摆脱线缆的束缚，能够在较大的自由空间内通话。由于采用专用的声音 编解码芯片和标准音频取样率44．1 khz，并经过先进的信号处理技术，能够使声音效果接近cd音质，这样也使蓝牙耳机真正取代有线耳机成为可能。
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耳机放大电路
双三极管ecc822电子管组成的otl耳机放大器电路
本文用双三极管ecc82（相当于e802c、e82cc、与北美12au7、国产6n10型）作为放大器。此类管子有指标优良和使用寿命长的特点。
如图所示电路，用双三极管ecc82（相当于e802c、e82cc、与北美12au7、国产6n10型）作为放大器。此类管子l有指标优良和使用寿命 长的特点。前置放大器要产生足够的信号幅度去驱动耳机。管脚1、2、3、的三极管部分放大信号。输入信号通过50kω音量控制对数式电位器p1（p1不在 图 i中表示）到达电路板，再经过c1、r1直接输给前置放大级，而r1、c1l提供必需负栅偏压。增益实质上由r8决定。而最大输入电压由r2决定。r9是 这样确定．即把静态阳极电流选在特性曲线最大可能的线性部分。在阳极上被倒相和放大的输入信号通过c2耦合到第二级栅极。第二级阴极电阻被分成r5和r6 两部分。r5和r6串联形成负载电阻。其分压作用为栅偏压选择一个正确值。栅偏压加到栅极之前经r4和c3退耦和稳定。由栅偏压和相应特性曲线决定的阳极 电流在r5和r6上形成压降，严格地与电流成比例关系。此电压接着经过耦合电容c4馈给耳机。为避免耳机插入时产生喀啦噪声，接入r7保持输出在dc信号 地电位。上述仅介绍l（左）声道电路工作原理。右声道与此相同。
分立元件耳机放大电路以及差分功放仿真电路
分立元件耳机放大电路
电路图opa2134和三极管等元件组成。
差分功放仿真电路
三极管耳机兼线路放大器
本文介绍用3只电子管组装的低阻抗线路放大器兼32ω耳机放大器，它采用差动推挽放大和变压器输出，电路简单容易制作，又可一机二用，值得有兴趣的耳机爱好者仿制。
高保真立体声耳机的电声性能越来越好。它的声音不受房间声学条件的影响，也不会影响旁人的工作或休息，更有利于聆听者全神贯注地领略音乐的旋律、节奏和 感人的气氛。再加上耳机听音系统的成本低、音质好，日益受到发烧友的青睐。不过，利用一般功放的耳机插口聆听音乐的效果还不够理想，比较好的办法是为耳机 专门定制一台耳机放大器，现在已成为用耳机欣赏音乐的共识。
本文介绍用3只电子管组装的低阻抗线路放大器兼32ω耳机放大器，它采用差动推挽放大和变压器输出，电路简单容易制作，又可一机二用，值得有兴趣的耳机爱好者仿制。
一.电路和原理
图1为本机电原理图（只画出左声道，电源则为左右声道共用）。整机放大部分只用3只mt电子管。一只12at7/ecc81双三极管作左、右声道的输入 级，一只12au7/ecc82双三极管作一个声道的差动推挽输出级。由于这个电路本身具有倒相作用，因而可省去一级倒相电路，简化了电路结构。
输入端设有两组输入端子a、b，可用开关切换。为了改善整机特性，输入级加有来自输出级的负反馈。反馈量取lodb比较适中。该管也可选用12au7，不过增益略低，本电路选用12at7，以保证增益和必要的负反馈量。
输出级采用12au7作推挽放大，如前所述它兼有倒相作用，故它无需输入反相信号而只有一个信号输入端。这个电路初看起来不太容易理解，其实它就是我们 熟悉的差分放大器。在晶体管电路中，差分放大器是司空见惯的，在电子管电路中差分放大器的使用相对比较少见。下面稍微说明一下。
这个电路结构与晶体管差分放大器完全相同。它有两个信号输入端子，两个信号输出端子，阴极共用一个电阻。屏极采用电阻作负载。差放的运用相当灵活。它可 以在两个输入端子上都加信号，也可以只在一个输入端子上加信号。而输出信号可从两个输出端子上得到，也可从一个输出端子上获得。
下面为常见的3种工作方式。
（1）当两个输入端加上同相位、同幅度的信号时。在两个输出端子上得到同相位、同幅度的输出信号。如作推挽输出时，则两者信号相互抵消，这对抑止输入噪声的输出十分有利。
（2）当两个输入端加上反相的同幅度信号时，输出端则得到两个幅度相同的反相输出信号。
（3）当仅在一个输入端加上信号时，两个输出端上将获得幅度相同、相位相反的输出信号。
本机输出级采用单端输入信号（另一输入端接地）、双端输出信号的工作方式（屏极用一输出变压器代替两个负载电阻）。它既有（3）点的倒相作用，又有（1）点的抑噪作用，电路又简单。
为了提高差分放大电路的对称性及其特性，图1输出级两只三极管阴极采用了恒流源电路，为此使用了一块lm317稳压ic.作为耳机放大器，额定输出功率 有100mw已经足够，本机采用12au7作差分推挽放大，屏极电压取180v，屏极电流约7.5ma，栅偏压约一6v，采用输出变压器的初级阻抗为。 10kω时的a类最大输出功率约150row.此时屏极功耗为180v×7.5ma=1.35w，不到12au7最大屏极损耗的一半，是相当安全的。
最后要说明，本机作耳机放大器使用时，供阻抗为32ω的耳机配合16ω端子使用，此时输出级的实际负载阻抗为20kq.当作线路放大器使用时，同样使用 16 q端子。不过为了避免因配接的后级功放输入阻抗不同而造成本机输出级的负载阻抗大幅度变动，16 ω端子应并联一只33 n（2w）电阻到地。另外，本机的增益约3.2倍，作为线路放大器且与cd机直驳使用时，本机显得增益过大，此时最好在输出端接入图3所示的衰减网络。选 择适当的衰减量；使系统正常聆听时本机的音量电位器的转角行程为一半左右，这样可使本机工作在最佳状态下。至于作为耳机放大器，线路放大器以及配接衰减网 络之间如何实现相应的转换（用适当的转换开关等），请制作者根据自己的实际需要自行设计，这里不再赘述。
二.元件和制作
本机大部分元件都很一般，图1中已注明了要求，未注明要求的电阻均选用1/2 w的。稳流源所用的电阻（50 q、82 q）和灯丝稳压ic所用的电阻（240t2、100t2、2k ω）宜用1％误差的电阻。高频相位补偿网络（200pf‘、30kω）中的电容可选用一般的云母电容器。
输出变压器采用日本平田电机制作所的fe—10一lo，其外形尺寸和接线端子如图4所示。主要特性如下：（1）输出功率：10w（50hz）
（2）频率响应：20hz～50khz（一ldb，输入4v，2rn=zp）
（3）一次侧电感：l 0 0 h（1mw），最大50h（50hz）
（4）一次侧容许dc电流：双管90ma（不平衡电流4ma）
（5）功率损耗：0.41db（16 ω）
（6）一次侧dc电阻：410ω输出级阴极恒流源采用可调三端稳压ic接成恒流电路，采用lm31 7t可安装在小型散热片上，并注意与底盘之间的绝缘要可靠。为使稳压ic作为恒流器件使用，只需在l=m317t输出端接一电阻即可达到规定的恒流值。该 电阻可用1.25（v）/i（a）来求得。本机输出级每管电流为7.5ma，两管为15ma即o.015a，故r=1.25v/o.015a=83 q，图l中选用82 ω。lm317t正常工作时要求其输入至输出端之间的压降大于3v.本机输出级阴极对地电压约6v，其输出端子对地电压为1.2 5v，输入端子电压则可在4.25v以上，能满足正常工作要求。在lm 3l 7t输入端子和12au7阴极之间的50ω电阻是用来检测阴极电流所设。灯丝供电采用lm3 50t稳压（也可采用lm317t），安装时应加小型散热片。安装时无论lm 3l 7还是lm350其3个端子切勿搞错。
图5为本机面板、底盘上下主要元件布置示意图。电源和输出变压器均安装于底盘上面，其中输出变压器卧式安装。所有大电解电容器均卧式安装在底盘下面。电子管及上述电解电容附近都设置了支架，以便直接搭接相关元件。
信号输入端引线采用双芯屏蔽线。图6为双芯屏蔽线的使用图示。双芯屏蔽线中的两根芯线分别为信号线的“热端”和“冷端”，屏蔽层则接地。也就是说在屏蔽层中没有流过信号，因而信号不易受到其他杂散电流的干扰。
三.调蔓和性能
配线完成且检查无误之后可通电试验。首先断开电源二次侧高压接线，然后在不插入电子管的情况下接通电源，检查各管灯丝电压是否正常。该电压约为12.3v.如偏差过大，可微调lm350调整端对地的电阻值（100ω）。
灯丝电压正常后，可断开电源并恢复电源高压接线。然后插好各电子管再次接通电源，听和看整机有无异常声响或其他情况。如无异常情况，可用万用表测试各管 阴极电压。通常，只要阴极电压正常，管子的工作状态就多半没有什么问题。 输出级的有效屏极电压约180v，阴极电压约一5.6v.屏极电流可测量阴极50ω电阻上的压降得知。实测为1 5.6ma，每管电流为7.8ma.三端稳压ic上有3v压降就能进行正常的稳流工作。
现在来看一下本机的各项实测性能。
四.输入/输出特性
本机增益为3.2倍，削波前的输出电压为2.6v，因此在33ω耳机上输出功率可达205mw，是设计值的1.3倍以上。这对耳放来说功率已十分充裕。 图7为本机输入/输出特性，随着输入信号增加，在削波之前出现“圆顶”失真，能看到真正削波时的输出功率实际上达到270mw。
（2）频响特性
图8为本机频响特性。作为耳机放大器，测试时功率取30mw.由图可见lohz时为一0.3db，100khz时为一1.3db，无疑是一款宽频带耳 放。图中还给出了10mv时的特性，这是推挽输出变压器在小输出下工作时初级电感有所降低所引起的。不过低频的下降也仅0.8db，仍是相当优秀。
（3）失真特性图9为本机的失真特性。10mw输出时100hz的失真为o.15％，1khz失真为0.1％，10khz为o.12％，应该说还算不错。
其他特性方面，也都不错。阻尼系数在33 n负载下，20hz～20khz全频段范围内达到8.3.这对获得良好的低音重放是很重要的。左右声道的分离度lkhz时达到一70db.高频20khz 一般不超过一60db，完全没有什么问题。用耳机欣赏音乐时，残留噪声也是一项重要指标。本机低达0.03～0.0 41“12v，这对于灵敏度为loodb/mw的耳机，即使音量置于最大位置，也完全听不到任何噪声。本机方波响应也很好，接上0.1 u f纯电容负载也不必担心电路会产生振荡。
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