淺析音頻器件的交流參數(shù)測(cè)試

朱春燕

[摘要]音頻器件在我們的日常生活中隨處可見(jiàn)，這類(lèi)器件在集成電路中占的比例也不小。如何保證器件的質(zhì)量是測(cè)試工程師的一項(xiàng)重要任務(wù)。簡(jiǎn)單介紹幾類(lèi)音頻類(lèi)的放大器及他們的工作原理，闡述如何對(duì)器件中的交流電參數(shù)在各種測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行快速有效的測(cè)試。

[關(guān)鍵詞]音頻放大器 電參數(shù) 測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào)：TN99文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0320013－01

一、引言

市場(chǎng)上有主要有A類(lèi)放大器，B類(lèi)放大器，AB類(lèi)放大器和D類(lèi)放大器。我們先從它們的工作原理對(duì)它們進(jìn)行一一介紹，再介紹如何對(duì)它們共有的特性進(jìn)行測(cè)試。

二、音頻放大器的主要分類(lèi)和工作原理

A類(lèi)放大器的輸出端只有一只晶體管進(jìn)行工作，這個(gè)晶體管總是處于導(dǎo)通狀態(tài)，也就是說(shuō)即使沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，晶體管也有輸出功率，所以晶體管會(huì)變得很熱，大部分的功率都浪費(fèi)在產(chǎn)生熱量上，所以它的效率很低，大概只有20%，但精度較高，即失真較小。

B類(lèi)放大器在A類(lèi)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在輸出端采用兩個(gè)晶體管進(jìn)行工作。在沒(méi)有輸入的情況下，兩個(gè)晶體管均處于截止?fàn)顟B(tài)而使得整個(gè)器件沒(méi)有輸出功率。雖然B類(lèi)放大器的效率要比A類(lèi)放大器高，但精度不高，即失真較大。

AB類(lèi)放大器是A類(lèi)放大器與B類(lèi)放大器的折中組合，與B類(lèi)放大器比較相似，但AB類(lèi)放大器增加了消除交越區(qū)間的二極管，使得兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通，其性能得到了提高。

D類(lèi)放大器與上述的放大器都不同，它的工作原理基于開(kāi)關(guān)晶體管，可在極短的時(shí)間內(nèi)完成管子的完全導(dǎo)通和完全截止。D類(lèi)放大器所采用的技術(shù)就是PWM（脈寬調(diào)制技術(shù)），所謂脈寬調(diào)制技術(shù)就是將模擬信號(hào)的幅度調(diào)制成一系列矩形脈沖的寬度。這樣，一個(gè)模擬信號(hào)就變成了一系列寬度受到調(diào)制的等幅脈沖信號(hào)。這時(shí)候要把信號(hào)放大，只要對(duì)這系列的脈沖信號(hào)放大就可以了。

三、音頻類(lèi)器件的主要交流參數(shù)

（一）電壓幅值（RMS）的測(cè)試

交流電壓的幅值是交流參數(shù)中最基本的量，但也是利用通常的Digitizer比較難測(cè)的一個(gè)參數(shù)。因?yàn)樵赗MS的測(cè)量分量中可能包括了噪聲、失真和其它的測(cè)試分量在內(nèi)。對(duì)電壓幅度進(jìn)行測(cè)試的目的是為了檢測(cè)一階波形，譬如電阻電容是否匹配，DC電壓的偏差和一些失真等。

（二）電壓增益（Gain）的測(cè)試

電壓增益簡(jiǎn)單地講就是在特定頻率下輸出電壓與輸入電壓的比值：

G(dB)=20log10|G(V/V)|

通常情況下增益測(cè)試都不在標(biāo)稱(chēng)的最大信號(hào)下進(jìn)行，因?yàn)槿砍痰男盘?hào)在測(cè)試電路中容易引起諧波失真，失真容易影響測(cè)試信號(hào)的頂端或底部的波形。而且這部分能量會(huì)從測(cè)試信號(hào)端傳遞到失真部分，從而影響增益的讀取。1KHZ是在音頻器件的DATASHEET中最普遍的頻率，因?yàn)橐话闳说穆?tīng)覺(jué)在1KHZ附近是最敏感的。

（三）信號(hào)失真（THD）的測(cè)試

當(dāng)一個(gè)信號(hào)通過(guò)一個(gè)非線(xiàn)性電路時(shí)就會(huì)產(chǎn)生失真。非線(xiàn)性電路的輸出頻譜不僅包括輸入信號(hào)的頻率成分也包含了輸入信號(hào)的諧波成分。通常用指定頻率下的正弦波用來(lái)進(jìn)行諧波失真的測(cè)試，諧波失真成分會(huì)在測(cè)試的基波頻率的整數(shù)倍上表示出來(lái)。從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)THD是信號(hào)的RMS與所有奇次和偶次諧波分量的RMS的比值。但由于諧波的奇次和偶次是一個(gè)無(wú)窮大的量，所以我們經(jīng)常取幾次諧波來(lái)替代所有的諧波分量。當(dāng)然更多的時(shí)候我們測(cè)試THD時(shí)把噪聲電壓和諧波分量疊加在一起作為分母。

（四）信號(hào)抑制測(cè)試

主要有CMRR（共模抑制比）、PSRR（電源抑制比）、Crosstalk（通道隔離度）等。

為了說(shuō)明差動(dòng)放大器電路抑制共模信號(hào)的能力，常用共模抑制比這項(xiàng)指標(biāo)來(lái)衡量。

其定義為放大器對(duì)差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)和對(duì)共模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)之比，稱(chēng)為共模抑制比（CMRR）。

CMRR(f)=|(Gcm(f)/Gdiff(f))|

差模信號(hào)的增益是將音頻放大器中的兩個(gè)輸入端接各產(chǎn)生一個(gè)變化的分量，在輸出端同樣也會(huì)得到一個(gè)變化分量，兩個(gè)變化分量的比值為差模信號(hào)的增益。共模信號(hào)的增益是將兩個(gè)輸入端短接，輸入一個(gè)變化分量，在輸出端得到一個(gè)相應(yīng)變化分量，輸出端的變化分量和輸入端的變化分量之比即為共模信號(hào)的增益。由于一個(gè)通道在不同頻率下的CMRR也會(huì)有不同的特性，CMRR的測(cè)試也需要在不同的頻率下進(jìn)行。

PSRR（電源抑制比）與CMRR（共模抑制比）在本質(zhì)上比較相似，唯一有區(qū)別的是干擾信號(hào)是從電源端而非輸入端加入。在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用中，電源端的電壓并非十分干凈，它會(huì)包括直流分量加上從電源供給電路或電池端出來(lái)的交流變化量。PSRR表示一個(gè)電路在電源端抑制紋波信號(hào)的能力。PSRR的測(cè)試方法為在電源的直流電壓分量上疊加一個(gè)指定頻率下的交流小信號(hào)，因?yàn)橹绷鞣至磕鼙ＷC電路的正常啟動(dòng)和工作。然后在輸出端測(cè)量該頻率下的輸出變化量。該公式可簡(jiǎn)化為：

PSRR（f）=|(Vout/Vac)/Vout/Vin)|

Crosstalk（通道隔離度）簡(jiǎn)單來(lái)講就是當(dāng)一個(gè)通道有輸入的情況下，另外一個(gè)通道是否受到這個(gè)輸入的影響程度。通道隔離度的公式為：

Crosstalk=|（Vout-r/Vl）/(Vout-r/Vr)|

該參數(shù)的測(cè)試方法簡(jiǎn)單來(lái)講就是在R通道輸入為0，L通道有信號(hào)輸入的情況下測(cè)量R通道的輸出，這個(gè)增益比上L通道輸入為0的情況下，R通道本身的增益。

（五）噪聲測(cè)試

現(xiàn)實(shí)中每個(gè)電路都會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)的噪聲。如由電阻產(chǎn)生的熱噪聲、CMOS開(kāi)關(guān)管的頻率噪聲、有DAC和ADC產(chǎn)生的量子噪聲等。當(dāng)然噪聲也可以由外部的因素帶入。噪聲是在測(cè)試回路中很常見(jiàn)但卻不是人們所需要的信號(hào)，噪聲也是導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)的一個(gè)因素，因?yàn)樾枰獙?duì)這部分分量進(jìn)行處理。

使用基于DSP技術(shù)的測(cè)試方法測(cè)量噪聲的RMS時(shí)，需要注意Digitizer的帶寬問(wèn)題。所以噪聲一般是在指定頻率下測(cè)試的。

一般音頻器件的一個(gè)重要指標(biāo)是信噪比，信噪比指的是有用的信號(hào)和噪聲的比值，這個(gè)數(shù)值越高，就說(shuō)明聲音越干凈。

以上闡述了音頻放大器主要交流參數(shù)的定義和測(cè)試方法。在實(shí)際的測(cè)試運(yùn)用中，除了要對(duì)每個(gè)參數(shù)的測(cè)試方法了解清楚外，測(cè)試工程師還需要結(jié)合實(shí)際盡量減少測(cè)試板上的噪聲對(duì)測(cè)試回路的干擾，以免影響實(shí)際測(cè)試效果。

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