對音頻放大器咔嗒聲的定量分析
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引言
便攜式音頻設(shè)備的特殊要求是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，產(chǎn)品A優(yōu)于其競爭產(chǎn)品B，而且使用更理想的原因是什么? 從性能上看，競爭產(chǎn)品之間的頻率響應(yīng)平坦度和THD+N等指標(biāo)相差不大，很難區(qū)分哪一個產(chǎn)品性能更好。從用戶接口能夠評判產(chǎn)品的主要差異，但這在很大程度上取決于主觀評價。我們可以利用客觀的音頻性能指標(biāo)對產(chǎn)品進(jìn)行比較，說明一個產(chǎn)品明顯優(yōu)于其它產(chǎn)品的原因。評估音頻性能的一個重要指標(biāo)是設(shè)備在打開或關(guān)斷時，耳機(jī)(或揚(yáng)聲器)出現(xiàn)的“咔嗒”聲或其它奇怪的瞬態(tài)噪聲。隨著人們對產(chǎn)品性能期望值的提高，無瞬態(tài)雜音成為人們選擇產(chǎn)品的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因而也是便攜式音頻設(shè)備的關(guān)鍵賣點(diǎn)。直到目前為止，業(yè)界仍然從主觀上評價這種咔嗒聲，“較低的咔嗒聲”和“無咔嗒聲工作”等描述代表了對咔嗒聲定量分析的主觀判斷。但是，用戶的期望值在變化，設(shè)計(jì)人員需要得到評判咔嗒聲的客觀指標(biāo)。
本文闡述了一種定量表示咔嗒聲參數(shù)的方法，這種方法可以在不同產(chǎn)品中對產(chǎn)品進(jìn)行重復(fù)比較。
咔嗒聲的特征
咔嗒聲是指放大器驅(qū)動轉(zhuǎn)換器打開或關(guān)閉時，在耳機(jī)或揚(yáng)聲器中出現(xiàn)的音頻瞬態(tài)信號。在便攜式應(yīng)用中，降低功耗是延長電池使用時間的關(guān)鍵，當(dāng)不需要某些功能模塊工作時，一般會禁用這些模塊。這種功能有可能會進(jìn)一步突出咔嗒聲這一不利因素。當(dāng)器件打開或關(guān)斷時，理想元件不應(yīng)出現(xiàn)音頻輸出，而實(shí)際應(yīng)用中，所有的音頻放大器都會產(chǎn)生咔嗒聲。根據(jù)所用轉(zhuǎn)換器(揚(yáng)聲器或耳機(jī))的靈敏度、轉(zhuǎn)換器與人耳的距離、放大器處理瞬變信號的能力以及聽覺的敏感度，可以聽不到咔嗒聲。盡管確定音頻閾值涉及到許多因素，可以利用放大器輸出指標(biāo)(與音頻傳輸函數(shù)無關(guān))定量對比產(chǎn)品的性能。表1列出了有可能造成放大器信號瞬變的因素。
表1. 造成放大器瞬變噪聲的因素
| 1. | Powered up (power applied) | Category A |
| 2. | Powered down (power removed) | |
| 3. | Brought out of shutdown (power applied previously) | Category B |
| 4. | Forced into shutdown (power still applied) |
Maxim將音頻測試分為兩類，以合理測量KCP測量。參考上面的表1，第1項(xiàng)(上電)和第2項(xiàng)(斷電)屬于A類。一般假設(shè)正常工作狀態(tài)下，帶有關(guān)斷(SHDN)功能的Maxim產(chǎn)品在上電時具有受關(guān)斷引腳(或寄存器位)控制的瞬變模式。A類并不代表正常的使用，只是在測量那些軟件控制無法關(guān)斷器件時才相關(guān)。第3項(xiàng)和第4項(xiàng)(B類測量)更貼近正常的使用情況。
圖1和圖2所示(在時域)為兩個不同的耳機(jī)放大器退出關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過程，將第一個交流耦合耳機(jī)放大器和第二個直流耦合耳機(jī)放大器進(jìn)行對比，交流耦合耳機(jī)放大器退出關(guān)斷時產(chǎn)生較大的瞬變(圖1)，這種瞬變產(chǎn)生明顯的低頻聲音，原因是其較慢的開啟過程。 (注意，時間標(biāo)度是100ms/div。)
圖1. 數(shù)據(jù)顯示了一個性能良好的交流耦合耳機(jī)放大器退出關(guān)斷狀態(tài)時的瞬態(tài)過程。其振幅較大，盡管這一瞬態(tài)過程將產(chǎn)生明顯的低音信號，但人耳對這種聲音并不敏感。
第二種瞬變過程，即直流耦合耳機(jī)放大器(圖2)，似乎淹沒在A加權(quán)濾波之前示波器的噪聲底中。對于這種放大器，大部分音頻來自從關(guān)斷到完全工作時產(chǎn)生的直流失調(diào)電壓。由于失調(diào)只有幾個毫伏，沒有經(jīng)過濾波的信號不能精確決定咔嗒聲的大小。采用A加權(quán)濾波后，從噪聲基底中提取出直流耦合耳機(jī)放大器失調(diào)產(chǎn)生的咔嗒聲，獲得更客觀的測量結(jié)果。 (注意，沒有顯示濾波后的信號標(biāo)度V/div。)
圖2. 數(shù)據(jù)顯示了低失調(diào)、直流耦合耳機(jī)放大器退出關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過程。與圖1A相比，幅度要低得多(因此，主觀上感覺噪音低得多)，放大器經(jīng)過150μs后完全開啟。
分析這一問題時，需要考慮兩個方面。首先，怎樣客觀地測量瞬變? 其次，如果需要，采用什么標(biāo)準(zhǔn)來衡量測試結(jié)果?
咔嗒聲測試方法
Maxim采用了Audio Precision的系統(tǒng)1和系統(tǒng)2 (推薦)音頻分析儀測量咔嗒聲(圖3)，也可以采用其它廠商類似測試設(shè)備。所推薦的指標(biāo)KCP能夠客觀衡量音頻放大器的咔嗒聲。
圖3. 耳機(jī)放大器咔嗒聲測試裝置，注意，左右聲道輸入引腳交流耦合至地。輸出負(fù)載是典型的耳機(jī)阻抗，用方波發(fā)生器觸發(fā)關(guān)斷引腳。
開始測量時，將待測設(shè)備(DUT)輸出連接到負(fù)載或模擬負(fù)載(假負(fù)載)。在DUT上加載所需的SHDN和電源，將所有DUT輸入交流耦合至地。不需要輸入信號；輸入激勵包括DUT在各種工作或停止工作模式之間切換的控制信號。連接DUT輸出至音頻分析儀的模擬分析部分。
下一步，選擇分析儀的A加權(quán)濾波(建議)或非加權(quán)22Hz至22kHz濾波器，將測量帶寬限制在音頻范圍內(nèi)。請注意，示波器的快速高電平瞬變并不表明有多少能量出現(xiàn)在音頻頻帶內(nèi)。人耳對揚(yáng)聲器或耳機(jī)瞬變信號的頻率響應(yīng)很有限。因此，增加A加權(quán)濾波(圖4)更有利于分析，因?yàn)檫@樣增強(qiáng)了人耳敏感的頻率分量。某些音頻分析儀不能選用A加權(quán)，這種情況下，應(yīng)限制人耳頻率響應(yīng)的帶寬。音頻測試設(shè)備中常用的限制帶寬是22Hz至22kHz，帶寬限制濾波器大概能達(dá)到20kHz的平坦響應(yīng)(通常為人耳的上限)。
圖4. A加權(quán)濾波器的頻率響應(yīng)。頻率均衡接近耳朵的敏感范圍，因此該參數(shù)通常用于噪聲測量。注意，濾波器傳輸函數(shù)為單位增益(0dB) @ 1kHz，兩端頻率信號被衰減。
設(shè)置檢測器為峰值讀數(shù)(而不是RMS值)，設(shè)置檢測器采樣為每秒32次。對于我們要采集的瞬變等信號，RMS檢測沒有作用。系統(tǒng)2分析儀支持更高的采樣率，而每秒32次采樣率能夠從系統(tǒng)1音頻分析儀獲得同等的測量選項(xiàng)。 (每秒32次采樣率是系統(tǒng)1模型中最快的采集設(shè)置。) 禁用音頻分析儀的范圍自動調(diào)整電路，手動選擇能夠精確跟蹤預(yù)期的峰值信號幅度。系統(tǒng)1和系統(tǒng)2分析儀的范圍為1倍至1024倍(0至60.21dB)，步長4倍(12.04dB)。為實(shí)現(xiàn)精確測量，建議音頻放大器咔嗒聲測量的起始點(diǎn)采用1X/Y范圍。
采用低頻方波驅(qū)動SHDN引腳，以便進(jìn)行重復(fù)測量。SHDN循環(huán)頻率低于音頻頻帶，周期應(yīng)足夠長，以確保能夠采集到所有的打開和關(guān)斷事件(某些型號具有較長的開啟延遲)。Maxim通常選擇0.5Hz周期。
工作和關(guān)斷之間出現(xiàn)瞬變時，分析儀的直方圖選項(xiàng)能夠輕松監(jiān)控DUT瞬變?？梢院苋菀椎卮_定峰值電壓，測量期間能夠迅速復(fù)位直方圖。峰值電壓以dBV (相對于1V的dB值)進(jìn)行記錄。這一指標(biāo)為KCP。
測試設(shè)備的重要性
上述測試方法能夠支持類似器件的對比，產(chǎn)生可重復(fù)的客觀結(jié)果。測試設(shè)備最好能夠?qū)θ魏未笮〉妮斎氡３志€性響應(yīng)。例如，測試1mV沖擊響應(yīng)時的峰值讀數(shù)應(yīng)比同樣脈沖寬度的100mV沖擊相應(yīng)低40dB。 (參見附錄的測試瞬變校準(zhǔn))。帶有外部濾波的示波器完全可以用在這一咔嗒聲測量方案中。但是，經(jīng)驗(yàn)表明高質(zhì)量耳機(jī)放大器的咔嗒聲電平典型值在毫伏范圍，這對于大部分示波器來說要想進(jìn)行精確測量具有一定難度?？梢圆捎檬静ㄆ鳒y試大功率放大器等電壓較高的設(shè)備。
平均值重復(fù)測試
同一型號的不同器件可能產(chǎn)生不同的測試結(jié)果。因此，在判定某型號性能之前應(yīng)測試多個器件以均衡這種差異。對于設(shè)計(jì)合理的直流耦合耳機(jī)放大器，大部分咔嗒聲與輸入失調(diào)電壓成正比，除非經(jīng)過均衡(或以別的方式消除)，不同器件的輸入失調(diào)電壓存在一定差異。全面測試某一型號時，為確保結(jié)果的一致性，應(yīng)多次測量每一工作模式的瞬變。然后，計(jì)算平均值。如果器件即將投入使用，建議進(jìn)行多次測量。測試立體聲或多通道產(chǎn)品的所有通道。建立絕對電壓電平
應(yīng)根據(jù)放大器的實(shí)際應(yīng)用來規(guī)定咔嗒聲的絕對電壓電平。例如，假定一個設(shè)備關(guān)斷時產(chǎn)生-50dBV的瞬變。如果DUT是一個50W/8Ω的功率放大器，滿量程為+29dBV。這樣，該放大器可察覺到的咔嗒聲與最大峰值電壓之比為：-(+29 - (-50)) = -79dB
但是，如果DUT是20mW/16Ω的耳機(jī)放大器，滿量程大約為-1.9dBV，將相對于峰值電壓比值較小：-48.1dB。
設(shè)置指標(biāo)電平
盡管我們已經(jīng)說明了怎樣獲得咔嗒聲指標(biāo)的客觀測量方法，但還存在一個問題：精度如何?考慮以下問題，采用上述方法測量兩個耳機(jī)放大器之后，您得到了可以重復(fù)的B類咔嗒聲抑制結(jié)果，第一個放大器的KCP為-59dBV，第二個是-61dBV。第二個放大器的噪聲真的比第一個小很多嗎? 或者說，這兩個結(jié)果都是可以接受的嗎? 測量結(jié)果是客觀的，但是對“可接受”的理解仍然是主觀的。
一個能夠接受、能夠檢測到的咔嗒聲抑制電平取決于多個因素：待測耳機(jī)/揚(yáng)聲器的效率、人耳到轉(zhuǎn)換器之間的典型距離、SHDN循環(huán)頻率以及收聽時的背景噪聲電平等。
在很多應(yīng)用中，盡管許多因素會影響可接受咔嗒聲電平的建立，我們還是可以規(guī)定一個可信的指標(biāo)基準(zhǔn)。注意，Maxim耳機(jī)放大器B類咔嗒聲的測試結(jié)果(表2)，所有測試均采用一個32Ω負(fù)載電阻，每一KCP值代表每個端口四次采樣的平均值。
表2. 耳機(jī)放大器的KCP值(A加權(quán)、32次/秒、峰值電壓、32Ω負(fù)載)
| Part Number | KCP | Comments | |
| Into SHDN (dBV) | Out of SHDN (dBV) | ||
| MAX9750C Headphone Amp | -55.8 | -47.9 | +3dB gain setting |
| MAX9760 Headphone Amp | -57.4 | -56.2 | Unity gain, 15k resistors, 220μF output capacitors |
| MAX4410 | -69.9 | -77.8 | Unity gain, 10k resistors |
| MAX4299 | -59.1 | -49.4 | Category A (no SHDN) |
以上數(shù)據(jù)是Maxim對KCP性能的測試結(jié)果。為最終消除放大器性能測試中的主觀因素，Maxim建議其它半導(dǎo)體供應(yīng)商采用這一方法，以及定義的KCP參數(shù)。關(guān)于該測試的詳細(xì)信息，請?jiān)L問以下鏈接
- Maxim的音頻產(chǎn)品信息
- Maxim音頻討論組
- 有關(guān)音頻測試和測量標(biāo)準(zhǔn)請?jiān)L問：Audio Precision世界網(wǎng)絡(luò)。
1其它生產(chǎn)類似設(shè)備的廠商包括Rhode Schwartz (音頻分析儀)和Prism Sound (dScope)。
附錄。校準(zhǔn)等效設(shè)備
本應(yīng)用筆記中獲得咔嗒聲性能指標(biāo)的客觀測試方案使用了Audio Precision的系統(tǒng)1以及系統(tǒng)2音頻分析儀。如果沒有系統(tǒng)1或系統(tǒng)2分析儀，可采用以下方法。KCP性能測量可以使用其它生產(chǎn)商提供的等效測試設(shè)備實(shí)現(xiàn)。圖A顯示了音頻分析儀和DUT的一般測試設(shè)置。
圖A. 其它廠商同等測試設(shè)備的咔嗒聲測試裝置
在記錄測試結(jié)果、對結(jié)果進(jìn)行直接對比之前，應(yīng)對測試裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。此外，還需要驗(yàn)證等效分析儀記錄的總能量，事實(shí)上，這一記錄與輸入幅度成線性關(guān)系。只有這樣，才能準(zhǔn)確記錄咔嗒聲的能量，特別是在音頻頻帶出現(xiàn)快速上升瞬變時。簡單校準(zhǔn)需要一個函數(shù)發(fā)生器和一個同等的分析儀。 (參考圖B示例。) 按以下步驟進(jìn)行校準(zhǔn)：
- 在等效音頻分析儀的輸入加載一個幅度已知的0.5Hz方波。
- 設(shè)置同等分析儀檢測A加權(quán)后的峰值電壓。
- 記錄各種輸入信號幅度的峰值電壓讀數(shù)。
圖B. 同等音頻分析儀校準(zhǔn)測試裝置。必須進(jìn)行校準(zhǔn)以確保同等分析儀記錄的總能量與各種輸入幅度成線性關(guān)系。
下面的表A顯示了系統(tǒng)2 Audio Precision音頻分析儀設(shè)置為A加權(quán)、32次/秒采樣的校準(zhǔn)結(jié)果。1X/Y自動范圍設(shè)置為1mVP-P至40mVP-P的輸入信號產(chǎn)生了6dB的加權(quán)因子。該6dB加權(quán)因子與Audio Precision分析儀的A加權(quán)受限傳輸函數(shù)有關(guān)。輸入信號大于40mVP-P時，對于這一特殊設(shè)置，校準(zhǔn)結(jié)果出現(xiàn)非線性。該范圍適用于大部分放大器。
表A. Audio Precision系統(tǒng)2校準(zhǔn)結(jié)果
| VIN (mVP-P) | VTHEORETICAL (dBV) | VREADING (dBV) | A-Weighted Calibration |
| 1 | -60.000 | -66.295 | 6.295 |
| 5 | -46.021 | -52.391 | 6.370 |
| 10 | -40.000 | -46.186 | 6.186 |
| 20 | -33.979 | -39.883 | 5.904 |
| 40 | -27.958 | -34.120 | 6.162 |
| 60 | -24.437 | -32.140 | 7.703 |
| 80 | -21.938 | -30.791 | 8.853 |
| 100 | -20.000 | -28.747 | 8.747 |
這一校準(zhǔn)措施可應(yīng)用于同等分析儀，以確保精確的咔嗒聲性能測量。此外，確定相同的校準(zhǔn)值以及合適的輸入信號范圍后，可以采用同等音頻分析儀準(zhǔn)確對比兩個放大器的咔嗒聲性能指標(biāo)。
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