淺析音頻器件的交流參數測試

朱春燕

[摘要]音頻器件在我們的日常生活中隨處可見，這類器件在集成電路中占的比例也不小。如何保證器件的質量是測試工程師的一項重要任務。簡單介紹幾類音頻類的放大器及他們的工作原理，闡述如何對器件中的交流電參數在各種測試平臺上進行快速有效的測試。

[關鍵詞]音頻放大器 電參數 測試

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0310033－01

一、引言

市場上有主要有A類放大器，B類放大器，AB類放大器和D類放大器。我們先從它們的工作原理對它們進行一一介紹，再介紹如何對它們共有的特性進行測試。

二、音頻放大器的主要分類和工作原理

1．A類放大器的輸出端只有一只晶體管進行工作，這個晶體管總是處于導通狀態，也就是說即使沒有信號輸入時，晶體管也有輸出功率，所以晶體管會變得很熱，大部分的功率都浪費在產生熱量上，所以它的效率很低，大概只有20%，但精度較高，即失真較小。

2．B類放大器在A類的基礎上進行改進，在輸出端采用兩個晶體管進行工作。在沒有輸入的情況下，兩個晶體管均處于截止狀態而使得整個器件沒有輸出功率。雖然B類放大器的效率要比A類放大器高，但精度不高，即失真較大。

3．AB類放大器是A類放大器與B類放大器的折中組合，與B類放大器比較相似，但AB類放大器增加了消除交越區間的二極管，使得兩個晶體管同時導通，其性能得到了提高。

4．D類放大器與上述的放大器都不同，它的工作原理基于開關晶體管，可在極短的時間內完成管子的完全導通和完全截止。D類放大器所采用的技術就是PWM（脈寬調制技術），所謂脈寬調制技術就是將模擬信號的幅度調制成一系列矩形脈沖的寬度。這樣，一個模擬信號就變成了一系列寬度受到調制的等幅脈沖信號。這時候要把信號放大，只要對這系列的脈沖信號放大就可以了。

三、音頻類器件的主要交流參數

（一）電壓幅值（RMS）的測試

交流電壓的幅值是交流參數中最基本的量，但也是利用通常的Digitizer比較難測的一個參數。因為在RMS的測量分量中可能包括了噪聲、失真和其它的測試分量在內。對電壓幅度進行測試的目的是為了檢測一階波形，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）的測試

電壓增益簡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)|。

通常情況下增益測試都不在標稱的最大信號下進行，因為全量程的信號在測試電路中容易引起諧波失真，失真容易影響測試信號的頂端或底部的波形。而且這部分能量會從測試信號端傳遞到失真部分，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，因為一般人的聽覺在1KHZ附近是最敏感的。

（三）信號失真（THD）的測試

當一個信號通過一個非線性電路時就會產生失真。非線性電路的輸出頻譜不僅包括輸入信號的頻率成分也包含了輸入信號的諧波成分。通常用指定頻率下的正弦波用來進行諧波失真的測試，諧波失真成分會在測試的基波頻率的整數倍上表示出來。從嚴格意義上來說THD是信號的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無窮大的量，所以我們經常取幾次諧波來替代所有的諧波分量。當然更多的時候我們測試THD時把噪聲電壓和諧波分量疊加在一起作為分母。

（四）信號抑制測試

主要有CMRR（共模抑制比）、PSRR（電源抑制比）、Crosstalk（通道隔離度）等。為了說明差動放大器電路抑制共模信號的能力，常用共模抑制比這項指標來衡量。

其定義為放大器對差模信號的電壓放大倍數和對共模信號的電壓放大倍數之比，稱為共模抑制比（CMRR）。CMRR(f)=|(Gcm(f)/Gdiff(f))|。

差模信號的增益是將音頻放大器中的兩個輸入端接各產生一個變化的分量，在輸出端同樣也會得到一個變化分量，兩個變化分量的比值為差模信號的增益。共模信號的增益是將兩個輸入端短接，輸入一個變化分量，在輸出端得到一個相應變化分量，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的增益。由于一個通道在不同頻率下的CMRR也會有不同的特性，CMRR的測試也需要在不同的頻率下進行。

PSRR（電源抑制比）與CMRR（共模抑制比）在本質上比較相似，唯一有區別的是干擾信號是從電源端而非輸入端加入。在現實運用中，電源端的電壓并非十分干凈，它會包括直流分量加上從電源供給電路或電池端出來的交流變化量。PSRR表示一個電路在電源端抑制紋波信號的能力。PSRR的測試方法為在電源的直流電壓分量上疊加一個指定頻率下的交流小信號，因為直流分量能保證電路的正常啟動和工作。然后在輸出端測量該頻率下的輸出變化量。該公式可簡化為：PSRR（f）=|(Vout/Vac)/Vout/Vin)|。

Crosstalk（通道隔離度）簡單來講就是當一個通道有輸入的情況下，另外一個通道是否受到這個輸入的影響程度。通道隔離度的公式為：Crosstalk=|（Vout-r/Vl）/(Vout-r/Vr)|。

該參數的測試方法簡單來講就是在R通道輸入為0，L通道有信號輸入的情況下測量R通道的輸出，這個增益比上L通道輸入為0的情況下，R通道本身的增益。

（五）噪聲測試

現實中每個電路都會產生隨機的噪聲。如由電阻產生的熱噪聲、CMOS開關管的頻率噪聲、有DAC和ADC產生的量子噪聲等。當然噪聲也可以由外部的因素帶入。噪聲是在測試回路中很常見但卻不是人們所需要的信號，噪聲也是導致測試時間長的一個因素，因為需要對這部分分量進行處理。

使用基于DSP技術的測試方法測量噪聲的RMS時，需要注意Digitizer

的帶寬問題。所以噪聲一般是在指定頻率下測試的。

一般音頻器件的一個重要指標是信噪比，信噪比指的是有用的信號和噪聲的比值，這個數值越高，就說明聲音越干凈。

以上闡述了音頻放大器主要交流參數的定義和測試方法。在實際的測試運用中，除了要對每個參數的測試方法了解清楚外，測試工程師還需要結合實際盡量減少測試板上的噪聲對測試回路的干擾，以免影響實際測試效果。

參考文獻：

[1]《電子技術基礎》第四版，高等教育出版社，康華光主編.

[2]《An Introduction to Mixed-Signal IC Test and Measurement》，OXFORD UNIVERSITY PRESS，Mark Burns Gordon W.Roberts.

[3]《電子設計運用》雜志，2004第3期低EMI、D類音頻放大器及其運用.

[4]《電子技術基礎實驗-電子電路實驗.設計.仿真》，高等教育出版社，陳大欽主編.