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(或揚聲器)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)品的一項重要指標(biāo)，因而也是便攜式音頻設(shè)備的關(guān)鍵賣點。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，在耳機或揚聲器中出現(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(揚聲器或耳機)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(上電)和第2項(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項和第4項(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放大器和第二個直流耦合耳機放大器進行對比，交流耦合耳機放大器退出關(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。輸出負載是典型的耳機阻抗，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)輸出連接到負載或模擬負載(假負載)。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)。人耳對揚聲器或耳機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，因為這樣增強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。 (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)。為實現(xiàn)精確測量，建議音頻放大器咔嗒聲測量的起始點采用1X/Y范圍。
采用低頻方波驅(qū)動SHDN引腳，以便進行重復(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)驗表明高質(zhì)量耳機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)計合理的直流耦合耳機放大器，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，計算平均值。如果器件即將投入使用，建議進行多次測量。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的耳機放大器，滿量程大約為-1.9dBV，將相對于峰值電壓比值較?。?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/揚聲器的效率、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. 耳機放大器的KCP值(A加權(quán)、32次/秒、峰值電壓、32Ω負載)
| 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)于該測試的詳細信息，請訪問以下鏈接
- 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)請訪問：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)果進行直接對比之前，應(yīng)對測試裝置進行校準(zhǔn)。此外，還需要驗證等效分析儀記錄的總能量，事實上，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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