今天，讀懂車載音頻功放測試

由于希望在保持高功率輸出和可接受的（低）失真水平的同時(shí)還要將功耗保持在最小，目前大多數(shù)汽車音頻功放都是AB或D類。

A類：效率較低、發(fā)熱量巨大，失真小、聲音好，貴。
B類：效率較高、失真大、聲音差，汽車音響市場不存在。
AB類：效率一般、失真偏小、聲音較好，性價(jià)比高。
D類：失真小、效率最高，造價(jià)較高、數(shù)碼聲重、一般用于推低音。
一般使用的全頻功放AB類居多，少數(shù)采用A類，低音功放有部分使用D類多數(shù)也是AB類。

而隨著汽車智能網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，對音頻的開發(fā)要求也越來越高，需要加入更先進(jìn)、功能豐富的信息娛樂功能以滿足消費(fèi)者的用戶體驗(yàn)。傳統(tǒng)的模擬并行音頻信號傳輸方式，難以在功能增加與整車輕量化（線纜的重量及成本減少）之間取得均衡。

ADI（Analog Devices Inc.）通過對音頻總線的優(yōu)化，推出A2B（Automotive Audio Bus）車載音頻總線，能比傳統(tǒng)模擬音頻總線能夠提供出色的音頻質(zhì)量，同時(shí)還能大大節(jié)省汽車音頻線束重量和成本（約減少75%）。

測試直擊

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增益和電平

在兩個(gè)通道上測量輸出電平和增益的同時(shí)，通過應(yīng)用階躍輸入電平掃描，可以方便地執(zhí)行增益和電平測試。如下圖所示，該放大器的增益約35，并具有線性響應(yīng)，輸入振幅（圖上的水平刻度）從低于2mVrms到約600mVrms，然后開始在輸出處削波。左軸顯示以Vrms為單位的測量輸出電平。注意，該DUT的左通道和右通道非常匹配。

如果在更寬的輸入范圍內(nèi)測試DUT，我們可以使用相同的測量來可視化線性動態(tài)范圍。下圖顯示，該DUT在低端和高端均掃過線性范圍。該器件的增益約為35，線性動態(tài)范圍約為57dBV。請注意，顯示57dB范圍的光標(biāo)位置有些模糊，因此，SNR測量通常與應(yīng)用于系統(tǒng)的最大幅度一起使用，以產(chǎn)生單值動態(tài)范圍測量。

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本底噪聲

好的音響系統(tǒng)的敵人之一便是噪音。信道中的任何非預(yù)期信號通常稱為噪聲。這可能是電流在電路中流動時(shí)隨機(jī)產(chǎn)生的噪聲，也可能是由于串?dāng)_、缺乏足夠的電源隔離和濾波、接地不良或電機(jī)（如擋風(fēng)玻璃雨刮器、座椅、天窗）或點(diǎn)火系統(tǒng)的電磁干擾而在通道中出現(xiàn)的確定性（非隨機(jī)）信號。如果該噪音發(fā)生在增益級之前，則噪音將被放大。

能準(zhǔn)確知道放大器通道上有多少噪音以及噪音可能來自何處，是評估放大器質(zhì)量或?qū)μ囟K/裝置進(jìn)行故障排除的關(guān)鍵信息。

本底噪聲經(jīng)測試表明，在沒有施加信號的情況下，信道是多么“安靜”。因此，測量通常通過以匹配阻抗終止DUT的輸入，并在沒有信號施加到輸入的情況下測量剩余RMS幅度來完成。對分析儀上的測量帶寬進(jìn)行限制至關(guān)重要，因?yàn)楦鄮捯馕吨鴾y量中產(chǎn)生的噪音會更多。對于大多數(shù)汽車音頻放大器，20Hz至20kHz是合適的。

以下是對汽車音頻功率放大器進(jìn)行測量的示例：

測試示例

通過上面頻譜圖的數(shù)據(jù)可以看到，不存在主要的確定性噪音源（因?yàn)樗鼤陬l譜中顯示為特定的線或雜散）；而且噪音本質(zhì)上是隨機(jī)的。如果輸入端接時(shí)頻譜中出現(xiàn)確定性雜散，這些雜散的頻率可以提供信號的性質(zhì)和來源的提示，這是系統(tǒng)或設(shè)計(jì)故障排除的第一步。

噪音是在汽車環(huán)境下聽力感受的一個(gè)重要方面。當(dāng)處于發(fā)動機(jī)和其它附件關(guān)閉的安靜車輛中時(shí)，聽眾可能會變得非常敏感。當(dāng)打開和/或關(guān)閉系統(tǒng)時(shí)，乘客可能會敏銳地意識到音頻系統(tǒng)的噪聲本底。

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SNR和共模抑制比

用于信噪比測量的方法是將單音注入放大器輸入端（在DUT的指定輸入幅度下），并測量輸出端的單音幅度，然后去除輸入信號并測量該輸出上的噪聲本底幅度，從而為SNR提供所需的數(shù)據(jù)值。下圖顯示了雙通道放大器上測得的SNR。這表明，在輸出端，施加了信號的幅度和噪聲本底之間的差超過70dB。

共模抑制比（CMRR）是配置為平衡（差分）輸出的放大器與配置為不平衡（單端）輸出的同一放大器的輸出噪聲幅度的比較。該測試證明了平衡輸出提供隨機(jī)噪聲消除的有效性。CMRR計(jì)算為CMRR（dB）=20*log10（VDM/VCM）。

下面的測試電路圖是以具有兩個(gè)通道發(fā)生器（例如，APx515、APx525、APx526、APx555和APx582）的音頻分析儀上實(shí)現(xiàn):

以下是該測試的輸出示例圖：

IEC 60268-3標(biāo)準(zhǔn)為共模抑制比測試定義了略微不同的實(shí)施方式。首先測量差分信號并存儲其值。接下來，按照IEC 60268-3標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的，將每個(gè)輸出支路以共模輸出的模式分別測量，并且每個(gè)支路與10歐姆源電阻串聯(lián)。兩個(gè)輸出的較高測量共模電平被用作共模值，最后，進(jìn)行計(jì)算。

下面就是以IEC 60268-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試電路，同樣是在提供兩個(gè)信道發(fā)生器的音頻分析儀中實(shí)現(xiàn)。

以下是該測試的輸出示例圖，使用先前共模抑制比測量中測試的相同DUT：

對于設(shè)計(jì)良好的功放，這些共模抑制比測試結(jié)果通常在60dB或更大范圍內(nèi)?？梢钥吹?，IEC共模抑制比方法比基本共模抑制比略微差一點(diǎn)。APx500音頻分析儀（B系列）用于這些共模抑制比測試，可從可用測量值列表中選擇。

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PSRR電源抑制比

車輛動力系統(tǒng)中的電噪聲也可耦合到音頻系統(tǒng)中，從而產(chǎn)生可聽噪聲。電源抑制比（PSRR）測試，用于測量功放，防止電源系統(tǒng)噪聲影響音頻輸出的能力。這在直接由車輛電池供電的系統(tǒng)中十分重要。對于設(shè)計(jì)為從開關(guān)模式電源供電的系統(tǒng)，電源通常設(shè)計(jì)有濾波器，以消除通常與開關(guān)電源相關(guān)聯(lián)的更高水平的電源紋波，并因此表現(xiàn)出更高的電源AC抑制水平。

測試挑戰(zhàn)之一是配置一個(gè)能夠以全功率電平驅(qū)動DUT的直流電源，但該電源也可以對通過直流電平上規(guī)定的交流信號電平進(jìn)行調(diào)制。

PSRR測試設(shè)置示例

從上圖中，可以看到其中一個(gè)發(fā)生器的輸出端連接到調(diào)制器輸入端（圖中顯示為音頻輸入），為電源輸出提供調(diào)制。在音頻分析器上使用兩個(gè)輸入端；一個(gè)用于測量直流電源輸出上的信號幅度，一個(gè)用于在DUT的輸出上測量相關(guān)頻率。該測試不使用DUT的輸入端。

音頻分析器設(shè)置為在發(fā)生器上產(chǎn)生掃頻單音輸出，在序列中使用“Bandpass Frequency Sweep”選項(xiàng)。該序列從“RMS電平”測量開始，然后是PSRR測量。最終測試數(shù)據(jù)通過導(dǎo)出的輸出獲得，該輸出是對PSRR的測算。

值得注意的是，“window width”要與分析儀一起使用，以創(chuàng)建盡可能窄的帶通濾波器，根據(jù)每個(gè)步驟應(yīng)用于DUT的特定輸入頻率，提供輸出電平的最精確測定。該掃描輸出被施加到電源上的調(diào)制輸入。

測試開始時(shí)，使用清潔（非調(diào)制）直流電源測量DUT RMS輸出。這成為任何特定頻率下PSRR的測量“噪聲本底”。如果DUT輸出不超過該噪聲本底，我們只能測PSRR的下限；真實(shí)的PSRR值將更高。接下來，將發(fā)生器輸出設(shè)置為在通常從約20Hz到5kHz的范圍內(nèi)掃描。在每個(gè)頻率階躍，測量RMS電平。

輸出的原始數(shù)據(jù)示例圖

分析儀導(dǎo)出的數(shù)據(jù)示例圖

該圖表明，DUT明顯滿足以下測試極限：在20Hz至5kHz范圍內(nèi)≥60dB。還請注意，由于在20Hz至約70Hz的范圍內(nèi)，“Amp Out Ch1”等級不高于“Amp No AC Power”，因此我們只能說DUT的性能與展示出來的性能相當(dāng)或更好。理想情況下，電源AC電壓將足夠高，達(dá)到高峰能使DUT輸出達(dá)到峰值頻率，但這幾乎不可能。

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頻率響應(yīng)

頻率響應(yīng)就是當(dāng)在已知等級下對一系列輸入頻率進(jìn)行測試，能提供了DUT輸出電平變化的記錄。對于音頻設(shè)備，這通常在20Hz到20kHz的范圍內(nèi)完成，但對于“高音質(zhì)”音頻，它可以擴(kuò)展到45kHz或90kHz的帶寬。

以下是頻率響應(yīng)測試的輸出示例。該DUT在通帶上顯示出非常好的振幅平坦性，在高位上具有典型的截止響應(yīng)。

傳統(tǒng)做法，該測試是用步進(jìn)頻率源來進(jìn)行的。然而，特別是在生產(chǎn)測試等環(huán)境中，現(xiàn)在使用對數(shù)掃頻正弦（chirp）信號來完成大部分工作，以大幅減少測試時(shí)間。例如，23秒的步進(jìn)頻率測試可以用具有類似結(jié)果的4秒chirp測試代替。

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輸出功率&諧波失真

輸出功率與諧波失真相關(guān)；失真通常隨著輸出功率增加而增加，直至到額定功率。

測試音頻放大器時(shí)，通常進(jìn)行兩次THD+N測量。第一次是在1W輸出功率下完成，所有通道同時(shí)驅(qū)動。這重點(diǎn)關(guān)注整個(gè)放大器的小信號失真。另一次是全功率測試，只有一個(gè)通道被驅(qū)動。這驗(yàn)證了DUT可以達(dá)到預(yù)期的最大功率設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)滿足失真性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。當(dāng)放大器的功率從1W輸出參考電平增加到最大額定功率輸出時(shí)，THD+N百分比可以增加10倍或更多。以下是目標(biāo)THD+N性能規(guī)格與設(shè)備等級的對比示例——

通常情況下，在分析儀帶寬設(shè)置為DUT的全帶寬（例如，20Hz至20kHz）的情況下進(jìn)行THD+N測試；但不會再增加更寬的帶寬了，因?yàn)檫@會增加來自頻譜不相關(guān)部分的額外噪聲。

然而，對于應(yīng)使用的分析儀源的應(yīng)用頻率范圍存在不同意見。對于THD+N測試，輸入通常覆蓋20Hz至6kHz的范圍。理由是，在6kHz時(shí)，只有第一次和第二次的諧波仍在頻帶內(nèi)，而高于6kHz的測試有效數(shù)據(jù)較少。

下圖顯示了從DUT測得的輸出功率（使用左縱軸讀取輸出功率），以及相應(yīng)的THD+N測量結(jié)果（使用右縱軸讀取THD+N百分比）。輸出功率曲線在圖的上部，而THD+N曲線在下部。最接近底部的曲線是1W輸出水平下的THD+N，從該曲線向上的下一條曲線是最大額定輸出功率為75W的THD+N。

我們可以看到，輸出功率曲線在功率電平之間是一致的，但THD+N曲線有明顯不同。另外，兩條THD+N曲線在約6kHz處急劇下降，這表明當(dāng)諧波超過帶寬限值時(shí)，該測量值減小。

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互調(diào)失真

如上文關(guān)于THD+N的討論，很難獲得關(guān)于10kHz以上諧波失真的有用數(shù)據(jù)，因?yàn)橹C波低于音頻帶寬，并且通常超過典型的THD+N測量帶寬。

用于研究音頻帶寬上限失真的一種技術(shù)是同時(shí)向DUT施加兩個(gè)相對純的音調(diào)，這在非線性設(shè)備中產(chǎn)生頻率（交互產(chǎn)物）。在大多數(shù)設(shè)備中，產(chǎn)生IMD的主要機(jī)制是AM（振幅調(diào)制），它產(chǎn)生的邊帶與原始音頻音調(diào)的頻率之和與之差相同。調(diào)制產(chǎn)品也可能相互跳動，并與原始音頻信號跳動，從而產(chǎn)生更多的調(diào)制產(chǎn)品。

差頻失真（DFD）是在IEC 60268-3規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)化的高頻雙音IMD測試的一個(gè)示例。DFD測試適用于AB類和D類放大器。該測試通常作為設(shè)計(jì)和開發(fā)周期的一部分進(jìn)行，但通常不作為驗(yàn)證或生產(chǎn)測試的一部分。以下是DFD測試的示例輸出。在這種情況下，施加到DUT的兩個(gè)等幅度音調(diào)是19kHz和20kHz。通過計(jì)算交互諧波振幅之和與所施加的兩個(gè)基音振幅之和的比率來進(jìn)行分析。在該比率中僅考慮2nd和3rd交互產(chǎn)物——

DFD測試的測試結(jié)果如下圖所示。圖中顯示了4th和5th階產(chǎn)品（如d4和d5所示），以供參考，但不是計(jì)算比率的一部分。

本測試實(shí)際測量值

為了進(jìn)行更廣泛的分析，可以掃描平均頻率或差頻，以檢查DUT對可能表現(xiàn)出更高DFD水平的特定頻率組合的靈敏度。

另一種交互測試技術(shù)是SMPTE IMD測試，它最初由電影和電視工程師協(xié)會（SMPTE）標(biāo)準(zhǔn)化，但現(xiàn)在由IEEE管理。與DFD測試一樣，作為設(shè)計(jì)和開發(fā)周期的一部分而不是生產(chǎn)測試來完成。

在概念上，這與上述DFD測試沒有太大區(qū)別；施加兩個(gè)音調(diào)，并測量所得諧波。然而，在這種情況下，一個(gè)音調(diào)（f1）是強(qiáng)低頻干擾信號，并且通常較弱的高頻（f2）引起反應(yīng)信號。常見的設(shè)置是60Hz時(shí)的f1，7kHz時(shí)的f2，振幅比為4:1。

有反應(yīng)的諧波現(xiàn)在位于7kHz音調(diào)附近。在120Hz、180Hz等頻率下看到的60Hz音調(diào)的任何諧波與本試驗(yàn)無關(guān)。然后，SMPTE IMD被確定為IMD產(chǎn)品的均方根值水平，表示為f2均方根水平的比值。以下是SMPTE IMD測試結(jié)果的表示：

實(shí)際測量值見下表。注意≤ 0.5%被視為標(biāo)準(zhǔn)性能產(chǎn)品的良好性能，以及≤ 0.1%被認(rèn)為是高性能產(chǎn)品的良好性能。該DUT在約0.02%時(shí)表現(xiàn)出特別好的性能，如下圖所示：

APx500系列分析儀可輕松掃描低頻干擾音，以檢查f1和f2的各種頻率組合下的IMD靈敏度。

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串?dāng)_

串?dāng)_是多信道系統(tǒng)中信號從一個(gè)信道到另一個(gè)信道的無意耦合。它通常由雜散電容、電感耦合、共享電源和共享接地回路引起。進(jìn)行串?dāng)_測試有助于確保一個(gè)信道上的信號不會耦合到其他信道中。如今，汽車功放串?dāng)_測試極限的性能目標(biāo)在以下范圍內(nèi)：標(biāo)準(zhǔn)性能產(chǎn)品≤-40dB，高性能產(chǎn)品為≤-50 dB。通常，性能被指定為使用1瓦輸出電平進(jìn)行測試。下圖顯示了一個(gè)高性能音頻放大器的性能——

串?dāng)_應(yīng)作為頻率的函數(shù)進(jìn)行測量，因?yàn)樗ǔｋS頻率變化很大。如果需要單個(gè)測量測試，通常在10KHz下進(jìn)行測量。這有兩個(gè)原因。首先A-加權(quán)曲線表明，我們的聽力在20kHz時(shí)在-10dB至-12dB的范圍內(nèi)衰減，而在-3dB至-5dB的范圍中衰減為10kHz。這表明，超過10kHz的串?dāng)_效應(yīng)將顯著減少。第二，如果串?dāng)_是由單極雜散電容耦合引起的，并且其他阻抗相對恒定，則串?dāng)_幅度將以每倍頻程6dB的速率增加；在10kHz下進(jìn)行評估將證明在仍可能聽到串?dāng)_的點(diǎn)處串?dāng)_的最高水平。

APx500音頻測量軟件提供多個(gè)串?dāng)_測試，包括單頻測量、步進(jìn)頻率掃描正弦測量和連續(xù)掃描（chirp）正弦測量。對于這些模式中的每一種，用戶可以選擇驅(qū)動一個(gè)通道并測量未驅(qū)動的通道，或者驅(qū)動除正在測量的通道之外的所有通道。

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直流偏置&喀嗒聲

功放通常是交流耦合的，這意味著輸出端不應(yīng)有直流電壓。小的直流偏置電壓是可以接受的，但必須測量并驗(yàn)證其在限值內(nèi)。較大的直流偏置將影響系統(tǒng)性能，并可能損壞部件。

直流偏置測試與輸出端接通/斷開破音噪聲測試相關(guān)，因?yàn)楣β史糯笃鞯闹绷髌蒙仙拖陆祵β曇舻姆错懹泻艽笥绊憽?/p>

使用音頻分析儀測試直流偏置的過程相對簡單。連接負(fù)載后，功放開啟，DC level用于測量直流電平。這里不用施加AC信號到放大器輸入端。下圖顯示了該測試結(jié)果：

標(biāo)準(zhǔn)性能產(chǎn)品小于或等于100mV被認(rèn)為是好的，而高級性能產(chǎn)品小于或等于10mV被視為好的。

當(dāng)功放打開或關(guān)閉時(shí)，可能會出現(xiàn)瞬態(tài)電壓尖峰。根據(jù)瞬態(tài)尖峰的水平和持續(xù)時(shí)間，這些尖峰可能會變成煩人的雜訊音、破音或者有喀嗒聲等。分析工具可以幫助確定是否可以聽到瞬態(tài)，但最終評估可能涉及在駕駛室中進(jìn)行聽力測試。

將音頻分析儀連接到適當(dāng)加載的音頻放大器的輸出端并獲取一個(gè)信號相對容易，該信號演示了信號中的尖峰是在開啟還是關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)的。以下是使用APx500分析儀中的測量記錄儀進(jìn)行此類采集的示例，該記錄儀顯示了在測試的開啟和關(guān)閉部分發(fā)生的瞬態(tài)峰值——

然而，從波形上看并沒有讓我們感覺到這些尖峰對聽者有多不利。由于感知響度取決于事件的級別、揚(yáng)聲器的靈敏度和人類對聲音的感知，因此在評估中必須考慮這些因素。

有幾種方法可以使用音頻分析器對這些類型的事件進(jìn)行更真實(shí)的評估。如果我們進(jìn)行聲學(xué)測量，我們可以使用校準(zhǔn)麥克風(fēng)和a加權(quán)濾波器以及分析儀來模擬聲級計(jì)。然而，這意味著我們需要將揚(yáng)聲器連接到放大器，并且我們可能需要在暗室中獲得良好的測量結(jié)果。此外，研究表明，人耳對雜訊聲和隨機(jī)噪聲突發(fā)的反應(yīng)不同，因此A加權(quán)濾波器不是最優(yōu)的。

分析雜訊和破音更合適的方法是使用ITU-R BS.468-4方案，包含一個(gè)CCIR-468加權(quán)濾波器，以及一個(gè)準(zhǔn)峰值檢測器，該檢測器具有精心定義的攻擊和衰減時(shí)間，能夠更好地表示脈沖噪聲脈沖相對于人類聽力的振幅。APx分析儀提供ITU-R BS.468-4 Q-peak濾波器用于電測量或聲學(xué)測量。

下圖DUT顯示最大Q-peak 為-40dBV。通過該測量，我們可以繼續(xù)估算聲壓級。

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D類功放

“線性”音頻功放為A類或AB類。這些功放通常具有非常好的保真度，但效率相對較低。對于這些功放，有源元件不斷地消耗功率。D類功放可以具有非常好的保真度，與線性功放相比也可以具有更高的效率。兩者都使用了前面章節(jié)中描述的相同測試和技術(shù)。然而，D類功放確實(shí)需要稍微不同的處理才能獲得代表性的測試結(jié)果。

D類功放使用脈寬調(diào)制（PWM）或某些其他類型的調(diào)制來將功放的效率最大化。每個(gè)脈沖的最大導(dǎo)通時(shí)間出現(xiàn)在正峰值，最大關(guān)斷時(shí)間出現(xiàn)在負(fù)峰值。在正弦波的振幅中點(diǎn)，占空比約為50%——

如下圖所示，輸出信號從最大輸出快速擺動到最小輸出（導(dǎo)致產(chǎn)生輸出中的高頻部分）——

這些噪聲信號具有非常高的轉(zhuǎn)換速率（SR），這可能導(dǎo)致分析儀在測量中產(chǎn)生錯(cuò)誤失真和噪聲讀數(shù)。在某些情況下，音頻分析儀電路可能被迫進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，甚至遭受損壞。

幸運(yùn)的是，這種情況有一個(gè)可靠的解決方案。通過對輸出端進(jìn)行濾波，可以在高頻成分到達(dá)分析儀前對其進(jìn)行濾波，從而顯著減少高頻成分。建議濾波分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段是連接在功放輸出和分析儀輸入之間的外部無源濾波器。這能在信號到達(dá)分析儀之前消除了大部分高頻成分。以下信號捕獲顯示了D類放大器的前濾波和后濾波信號——

AP有三種不同配置的外部濾波器，它們是為此而設(shè)計(jì)的。包括了AUX-0025雙通道25kHz低通濾波器、AUX-0100八通道25kz低通濾波器和AUX-0040雙通道40kHz低通濾波器。

第二個(gè)推薦的濾波級是分析儀中的銳滾降帶寬限制濾波器。AES17標(biāo)準(zhǔn)建議使用這種濾波器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換器測量，這種建議的內(nèi)置濾波器對于D類功放測量來說是個(gè)良好的選擇。Audio Precision在APx分析儀中用矩形DSP濾波器來實(shí)現(xiàn)。

The cutoff response of this filter

除AES17濾波器外，還應(yīng)使用無源外部濾波器，以確保良好的測量質(zhì)量并避免對分析儀輸入端的潛在損壞。分析儀的內(nèi)部的AES17濾波器不能讓分析儀輸入端免受D類功放輸出的高頻信號的影響。

需要注意的是，一些D類功放制造廠商配置了內(nèi)置輸出濾波器。所以，在與測試設(shè)備進(jìn)行任何連接之前，最好了解下被測功放的情況。

以上介紹了在汽車功放通常進(jìn)行的測試類型、預(yù)期性能水平、規(guī)定特定測試方法的一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及有助于進(jìn)行這些測量的AP音頻分析儀的功能。