浅析音频器件的交流参数测试

朱春燕

[摘要]音频器件在我们的日常生活中随处可见，这类器件在集成电路中占的比例也不小。如何保证器件的质量是测试工程师的一项重要任务。简单介绍几类音频类的放大器及他们的工作原理，阐述如何对器件中的交流电参数在各种测试平台上进行快速有效的测试。

[关键词]音频放大器 电参数 测试

中图分类号：TN99文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0320013－01

一、引言

市场上有主要有A类放大器，B类放大器，AB类放大器和D类放大器。我们先从它们的工作原理对它们进行一一介绍，再介绍如何对它们共有的特性进行测试。

二、音频放大器的主要分类和工作原理

A类放大器的输出端只有一只晶体管进行工作，这个晶体管总是处于导通状态，也就是说即使没有信号输入时，晶体管也有输出功率，所以晶体管会变得很热，大部分的功率都浪费在产生热量上，所以它的效率很低，大概只有20%，但精度较高，即失真较小。

B类放大器在A类的基础上进行改进，在输出端采用两个晶体管进行工作。在没有输入的情况下，两个晶体管均处于截止状态而使得整个器件没有输出功率。虽然B类放大器的效率要比A类放大器高，但精度不高，即失真较大。

AB类放大器是A类放大器与B类放大器的折中组合，与B类放大器比较相似，但AB类放大器增加了消除交越区间的二极管，使得两个晶体管同时导通，其性能得到了提高。

D类放大器与上述的放大器都不同，它的工作原理基于开关晶体管，可在极短的时间内完成管子的完全导通和完全截止。D类放大器所采用的技术就是PWM（脉宽调制技术），所谓脉宽调制技术就是将模拟信号的幅度调制成一系列矩形脉冲的宽度。这样，一个模拟信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。这时候要把信号放大，只要对这系列的脉冲信号放大就可以了。

三、音频类器件的主要交流参数

（一）电压幅值（RMS）的测试

交流电压的幅值是交流参数中最基本的量，但也是利用通常的Digitizer比较难测的一个参数。因为在RMS的测量分量中可能包括了噪声、失真和其它的测试分量在内。对电压幅度进行测试的目的是为了检测一阶波形，譬如电阻电容是否匹配，DC电压的偏差和一些失真等。

（二）电压增益（Gain）的测试

电压增益简单地讲就是在特定频率下输出电压与输入电压的比值：

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

通常情况下增益测试都不在标称的最大信号下进行，因为全量程的信号在测试电路中容易引起谐波失真，失真容易影响测试信号的顶端或底部的波形。而且这部分能量会从测试信号端传递到失真部分，从而影响增益的读取。1KHZ是在音频器件的DATASHEET中最普遍的频率，因为一般人的听觉在1KHZ附近是最敏感的。

（三）信号失真（THD）的测试

当一个信号通过一个非线性电路时就会产生失真。非线性电路的输出频谱不仅包括输入信号的频率成分也包含了输入信号的谐波成分。通常用指定频率下的正弦波用来进行谐波失真的测试，谐波失真成分会在测试的基波频率的整数倍上表示出来。从严格意义上来说THD是信号的RMS与所有奇次和偶次谐波分量的RMS的比值。但由于谐波的奇次和偶次是一个无穷大的量，所以我们经常取几次谐波来替代所有的谐波分量。当然更多的时候我们测试THD时把噪声电压和谐波分量叠加在一起作为分母。

（四）信号抑制测试

主要有CMRR（共模抑制比）、PSRR（电源抑制比）、Crosstalk（通道隔离度）等。

为了说明差动放大器电路抑制共模信号的能力，常用共模抑制比这项指标来衡量。

其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数和对共模信号的电压放大倍数之比，称为共模抑制比（CMRR）。

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

差模信号的增益是将音频放大器中的两个输入端接各产生一个变化的分量，在输出端同样也会得到一个变化分量，两个变化分量的比值为差模信号的增益。共模信号的增益是将两个输入端短接，输入一个变化分量，在输出端得到一个相应变化分量，输出端的变化分量和输入端的变化分量之比即为共模信号的增益。由于一个通道在不同频率下的CMRR也会有不同的特性，CMRR的测试也需要在不同的频率下进行。

PSRR（电源抑制比）与CMRR（共模抑制比）在本质上比较相似，唯一有区别的是干扰信号是从电源端而非输入端加入。在现实运用中，电源端的电压并非十分干净，它会包括直流分量加上从电源供给电路或电池端出来的交流变化量。PSRR表示一个电路在电源端抑制纹波信号的能力。PSRR的测试方法为在电源的直流电压分量上叠加一个指定频率下的交流小信号，因为直流分量能保证电路的正常启动和工作。然后在输出端测量该频率下的输出变化量。该公式可简化为：

PSRR（f）=|(Vout/Vac)/Vout/Vin)|

Crosstalk（通道隔离度）简单来讲就是当一个通道有输入的情况下，另外一个通道是否受到这个输入的影响程度。通道隔离度的公式为：

Crosstalk=|（Vout-r/Vl）/(Vout-r/Vr)|

该参数的测试方法简单来讲就是在R通道输入为0，L通道有信号输入的情况下测量R通道的输出，这个增益比上L通道输入为0的情况下，R通道本身的增益。

（五）噪声测试

现实中每个电路都会产生随机的噪声。如由电阻产生的热噪声、CMOS开关管的频率噪声、有DAC和ADC产生的量子噪声等。当然噪声也可以由外部的因素带入。噪声是在测试回路中很常见但却不是人们所需要的信号，噪声也是导致测试时间长的一个因素，因为需要对这部分分量进行处理。

使用基于DSP技术的测试方法测量噪声的RMS时，需要注意Digitizer的带宽问题。所以噪声一般是在指定频率下测试的。

一般音频器件的一个重要指标是信噪比，信噪比指的是有用的信号和噪声的比值，这个数值越高，就说明声音越干净。

以上阐述了音频放大器主要交流参数的定义和测试方法。在实际的测试运用中，除了要对每个参数的测试方法了解清楚外，测试工程师还需要结合实际尽量减少测试板上的噪声对测试回路的干扰，以免影响实际测试效果。

参考文献：

[1]康华光主编，《电子技术基础》第四版，高等教育出版社.

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

[3]《电子设计运用》杂志，2004第3期，低EMI、D类音频放大器及其运用.

[4]陈大钦主编，《电子技术基础实验-电子电路实验.设计.仿真》，高等教育出版社.