对音频放大器咔嗒声的定量分析

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1、 www. www. 对音频放大器咔嗒声的定量分析 对音频放大器咔嗒声的定量分析 供稿：美信公司 摘要摘要：咔嗒声是指驱动变换器的放大器在打开或关闭过程中，音频瞬变信号在耳机或扬 声器中产生的杂音。直到目前为止，业界仍然从主观上评价这种咔嗒声。“较低的咔嗒 声”和“无咔嗒声工作”等描述代表了对咔嗒声定量分析的主观判断。 为了消除衡量音 频放大器性能的主观判断因素，Maxim 确定了描述咔嗒声的客观指标。本文阐述了这一 指标 KCP 以及该参数的测试过程。 引言引言 便携式音频设备的特殊要求是产品设计的关键，产品 A 优于其竞争产品 B，而且使用更 理想的原因是什么? 从性能上看， 竞争产品

2、之间的频率响应平坦度和 THD+N 等指标相差 不大，很难区分哪一个产品性能更好。从用户接口能够评判产品的主要差异，但这在很 大程度上取决于主观评价。我们可以利用客观的音频性能指标对产品进行比较，说明一 个产品明显优于其它产品的原因。 评估音频性能的一个重要指标是设备在打开或关断时， 耳机(或扬声器)出现的“咔嗒” 声或其它奇怪的瞬态噪声。随着人们对产品性能期望值的提高，无瞬态杂音成为人们选 择产品的一项重要指标，因而也是便携式音频设备的关键卖点。直到目前为止，业界仍 然从主观上评价这种咔嗒声， “较低的咔嗒声”和“无咔嗒声工作”等描述代表了对咔 嗒声定量分析的主观判断。但是，用户的期望值在变

3、化，设计人员需要得到评判咔嗒声 的客观指标。 本文阐述了一种定量表示咔嗒声参数的方法， 这种方法可以在不同产品中对产品进行重 复比较。 咔嗒声的特征 咔嗒声的特征 咔嗒声是指放大器驱动转换器打开或关闭时，在耳机或扬声器中出现的音频瞬态信号。 在便携式应用中， 降低功耗是延长电池使用时间的关键， 当不需要某些功能模块工作时， 一般会禁用这些模块。这种功能有可能会进一步突出咔嗒声这一不利因素。当器件打开 或关断时，理想元件不应出现音频输出，而实际应用中，所有的音频放大器都会产生咔 嗒声。根据所用转换器(扬声器或耳机)的灵敏度、转换器与人耳的距离、放大器处理瞬 变信号的能力以及听觉的敏感度，可以听不

4、到咔嗒声。尽管确定音频阈值涉及到许多因 素，可以利用放大器输出指标(与音频传输函数无关)定量对比产品的性能。 www. www. 表 1 列出了有可能造成放大器信号瞬变的因素。 表 1. 造成放大器瞬变噪声的因素 1. Powered up (power applied) 2. Powered down (power removed) Category A 3. Brought out of shutdown (power applied previously)4. Forced into shutdown (power still applied) Category B Maxim 将音

5、频测试分为两类，以合理测量 KCP 测量。参考上面的表 1，第 1 项(上电)和 第 2 项(断电)属于 A 类。一般假设正常工作状态下，带有关断(SHDN)功能的 Maxim 产品 在上电时具有受关断引脚(或寄存器位)控制的瞬变模式。A 类并不代表正常的使用，只 是在测量那些软件控制无法关断器件时才相关。第 3 项和第 4 项(B 类测量)更贴近正常 的使用情况。 图 1 和图 2 所示(在时域)为两个不同的耳机放大器退出关断状态的瞬态过程， 将第一个 交流耦合耳机放大器和第二个直流耦合耳机放大器进行对比， 交流耦合耳机放大器退出 关断时产生较大的瞬变(图 1)，这种瞬变产生明显的低频声音，

6、原因是其较慢的开启过 程。 (注意，时间标度是 100ms/div。) 图 1. 数据显示了一个性能良好的交流耦合耳机放大器退出关断状态时的瞬态过程。其 振幅较大，尽管这一瞬态过程将产生明显的低音信号，但人耳对这种声音并不敏感。 www. www. 第二种瞬变过程，即直流耦合耳机放大器(图 2)，似乎淹没在 A 加权滤波之前示波器的 噪声底中。 对于这种放大器， 大部分音频来自从关断到完全工作时产生的直流失调电压。 由于失调只有几个毫伏，没有经过滤波的信号不能精确决定咔嗒声的大小。采用 A 加权 滤波后，从噪声基底中提取出直流耦合耳机放大器失调产生的咔嗒声，获得更客观的测 量结果。 (注意

7、，没有显示滤波后的信号标度 V/div。) 图 2. 数据显示了低失调、 直流耦合耳机放大器退出关断状态的瞬态过程。 与图 1A 相比， 幅度要低得多(因此，主观上感觉噪音低得多)，放大器经过 150s 后完全开启。 分析这一问题时，需要考虑两个方面。首先，怎样客观地测量瞬变? 其次，如果需要， 采用什么标准来衡量测试结果? 咔嗒声测试方法 咔嗒声测试方法 Maxim 采用了 Audio Precision 的系统 1 和系统 2 (推荐)音频分析仪测量咔嗒声(图 3)， 也可以采用其它厂商类似测试设备。 所推荐的指标 KCP 能够客观衡量音频放大器的咔嗒 声。 www. www. 图 3

8、. 耳机放大器咔嗒声测试装置，注意，左右声道输入引脚交流耦合至地。输出负载 是典型的耳机阻抗，用方波发生器触发关断引脚。 开始测量时，将待测设备(DUT)输出连接到负载或模拟负载(假负载)。在 DUT 上加载所 需的 SHDN 和电源，将所有 DUT 输入交流耦合至地。不需要输入信号；输入激励包括 DUT 在各种工作或停止工作模式之间切换的控制信号。 连接 DUT 输出至音频分析仪的模拟分 析部分。 下一步，选择分析仪的 A 加权滤波(建议)或非加权 22Hz 至 22kHz 滤波器，将测量带宽 限制在音频范围内。请注意，示波器的快速高电平瞬变并不表明有多少能量出现在音频 频带内。人耳对扬声器

9、或耳机瞬变信号的频率响应很有限。因此，增加 A 加权滤波(图 4)更有利于分析，因为这样增强了人耳敏感的频率分量。某些音频分析仪不能选用 A 加 权，这种情况下，应限制人耳频率响应的带宽。音频测试设备中常用的限制带宽是 22Hz 至 22kHz，带宽限制滤波器大概能达到 20kHz 的平坦响应(通常为人耳的上限)。 www. www. 图 4. A 加权滤波器的频率响应。频率均衡接近耳朵的敏感范围，因此该参数通常用于 噪声测量。注意，滤波器传输函数为单位增益(0dB) 1kHz，两端频率信号被衰减。 设置检测器为峰值读数(而不是 RMS 值)，设置检测器采样为每秒 32 次。对于我们要采

10、集的瞬变等信号，RMS 检测没有作用。系统 2 分析仪支持更高的采样率，而每秒 32 次采 样率能够从系统 1 音频分析仪获得同等的测量选项。 (每秒 32 次采样率是系统 1 模型 中最快的采集设置。) 禁用音频分析仪的范围自动调整电路，手动选择能够精确跟踪预 期的峰值信号幅度。系统 1 和系统 2 分析仪的范围为 1 倍至 1024 倍(0 至 60.21dB)，步 长 4 倍(12.04dB)。为实现精确测量，建议音频放大器咔嗒声测量的起始点采用 1X/Y 范 围。 采用低频方波驱动 SHDN 引脚，以便进行重复测量。SHDN 循环频率低于音频频带，周期 应足够长，以确保能够采集到所有的

11、打开和关断事件(某些型号具有较长的开启延迟)。 Maxim 通常选择 0.5Hz 周期。 工作和关断之间出现瞬变时，分析仪的直方图选项能够轻松监控 DUT 瞬变。可以很容易 地确定峰值电压，测量期间能够迅速复位直方图。峰值电压以 dBV (相对于 1V 的 dB 值) 进行记录。这一指标为 KCP。 测试设备的重要性 测试设备的重要性 上述测试方法能够支持类似器件的对比，产生可重复的客观结果。测试设备最好能够对www. www. 任何大小的输入保持线性响应。例如，测试 1mV 冲击响应时的峰值读数应比同样脉冲宽 度的 100mV 冲击相应低 40dB。 (参见附录的测试瞬变校准)。 带有外

12、部滤波的示波器完全可以用在这一咔嗒声测量方案中。但是，经验表明高质量耳 机放大器的咔嗒声电平典型值在毫伏范围， 这对于大部分示波器来说要想进行精确测量 具有一定难度。可以采用示波器测试大功率放大器等电压较高的设备。 平均值重复测试 平均值重复测试 同一型号的不同器件可能产生不同的测试结果。因此，在判定某型号性能之前应测试多 个器件以均衡这种差异。对于设计合理的直流耦合耳机放大器，大部分咔嗒声与输入失 调电压成正比，除非经过均衡(或以别的方式消除)，不同器件的输入失调电压存在一定 差异。全面测试某一型号时，为确保结果的一致性，应多次测量每一工作模式的瞬变。 然后，计算平均值。如果器件即将投入使用

13、，建议进行多次测量。测试立体声或多通道 产品的所有通道。 建立绝对电压电平 建立绝对电压电平 应根据放大器的实际应用来规定咔嗒声的绝对电压电平。例如，假定一个设备关断时产 生-50dBV 的瞬变。如果 DUT 是一个 50W/8 的功率放大器，满量程为+29dBV。这样，该 放大器可察觉到的咔嗒声与最大峰值电压之比为： -(+29 - (-50) = -79dB 但是，如果 DUT 是 20mW/16 的耳机放大器，满量程大约为-1.9dBV，将相对于峰值电 压比值较小：-48.1dB。 设置指标电平 设置指标电平 尽管我们已经说明了怎样获得咔嗒声指标的客观测量方法，但还存在一个问题：精度如

14、何? 考虑以下问题，采用上述方法测量两个耳机放大器之后，您得到了可以重复的 B 类咔嗒 声抑制结果，第一个放大器的 KCP 为-59dBV，第二个是-61dBV。第二个放大器的噪声真 的比第一个小很多吗? 或者说，这两个结果都是可以接受的吗? 测量结果是客观的，但 是对“可接受”的理解仍然是主观的。 一个能够接受、能够检测到的咔嗒声抑制电平取决于多个因素：待测耳机/扬声器的效 率、人耳到转换器之间的典型距离、SHDN 循环频率以及收听时的背景噪声电平等。 www. www. 在很多应用中，尽管许多因素会影响可接受咔嗒声电平的建立，我们还是可以规定一个 可信的指标基准。注意，Maxim 耳机

15、放大器 B 类咔嗒声的测试结果(表 2)，所有测试均 采用一个 32 负载电阻，每一 KCP 值代表每个端口四次采样的平均值。 表 2. 耳机放大器的 KCP 值(A 加权、32 次/秒、峰值电压、32 负载) KCP Part Number Into SHDN (dBV) Out of SHDN (dBV) Comments MAX9750C Headphone Amp -55.8 -47.9 +3dB gain setting MAX9760 Headphone Amp -57.4 -56.2 Unity gain, 15k resistors, 220F output capacitors MAX4410 -69.9 -77.8 Unity gain, 10k resistors MAX4299 -59.1 -49.4 Category A (no SHDN) 以上数据是 Maxim 对 KCP 性能的测试结果。为最终消除放大器性能测试中的主观因素， Maxim 建议其它半导体供应商采用这一方法，以及定义的 KCP 参数。关于该测试的详细 信息，请访问以下链接 Maxim 的Maxi