今天，讀懂車(chē)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，目前大多數汽車(chē)音頻功放都是AB或D類(lèi)。

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

而隨著(zhù)汽車(chē)智能網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，對音頻的開(kāi)發(fā)要求也越來(lái)越高，需要加入更先進(jìn)、功能豐富的信息娛樂(lè )功能以滿(mǎn)足消費者的用戶(hù)體驗。傳統的模擬并行音頻信號傳輸方式，難以在功能增加與整車(chē)輕量化（線(xiàn)纜的重量及成本減少）之間取得均衡。

ADI（Analog Devices Inc.）通過(guò)對音頻總線(xiàn)的優(yōu)化，推出A2B（Automotive Audio Bus）車(chē)載音頻總線(xiàn)，能比傳統模擬音頻總線(xiàn)能夠提供出色的音頻質(zhì)量，同時(shí)還能大大節省汽車(chē)音頻線(xiàn)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(guò)應用階躍輸入電平掃描，可以方便地執行增益和電平測試。如下圖所示，該放大器的增益約35，并具有線(xiàn)性響應，輸入振幅（圖上的水平刻度）從低于2mVrms到約600mVrms，然后開(kāi)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測試DUT，我們可以使用相同的測量來(lái)可視化線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍。下圖顯示，該DUT在低端和高端均掃過(guò)線(xiàn)性范圍。該器件的增益約為35，線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍約為57dBV。請注意，顯示57dB范圍的光標位置有些模糊，因此，SNR測量通常與應用于系統的最大幅度一起使用，以產(chǎn)生單值動(dòng)態(tài)范圍測量。

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本底噪聲

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

能準確知道放大器通道上有多少噪音以及噪音可能來(lái)自何處，是評估放大器質(zhì)量或對特定模塊/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(méi)有施加信號的情況下，信道是多么“安靜”。因此，測量通常通過(guò)以匹配阻抗終止DUT的輸入，并在沒(méi)有信號施加到輸入的情況下測量剩余RMS幅度來(lái)完成。對分析儀上的測量帶寬進(jìn)行限制至關(guān)重要，因為更多帶寬意味著(zhù)測量中產(chǎn)生的噪音會(huì )更多。對于大多數汽車(chē)音頻放大器，20Hz至20kHz是合適的。

以下是對汽車(chē)音頻功率放大器進(jìn)行測量的示例：

測試示例

通過(guò)上面頻譜圖的數據可以看到，不存在主要的確定性噪音源（因為它會(huì )在頻譜中顯示為特定的線(xiàn)或雜散）；而且噪音本質(zhì)上是隨機的。如果輸入端接時(shí)頻譜中出現確定性雜散，這些雜散的頻率可以提供信號的性質(zhì)和來(lái)源的提示，這是系統或設計故障排除的第一步。

噪音是在汽車(chē)環(huán)境下聽(tīng)力感受的一個(gè)重要方面。當處于發(fā)動(dòng)機和其它附件關(guān)閉的安靜車(chē)輛中時(shí)，聽(tīng)眾可能會(huì )變得非常敏感。當打開(kāi)和/或關(guān)閉系統時(shí)，乘客可能會(huì )敏銳地意識到音頻系統的噪聲本底。

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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提供所需的數據值。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(guò)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噪聲消除的有效性。CMRR計算為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:

以下是該測試的輸出示例圖：

IEC 60268-3標準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(lái)，按照IEC 60268-3標準所規定的，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)行計算。

下面就是以IEC 60268-3標準規定的測試電路，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。

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：

對于設計良好的功放，這些共模抑制比測試結果通常在60dB或更大范圍內?？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(chē)輛動(dòng)力系統中的電噪聲也可耦合到音頻系統中，從而產(chǎn)生可聽(tīng)噪聲。電源抑制比（PSRR）測試，用于測量功放，防止電源系統噪聲影響音頻輸出的能力。這在直接由車(chē)輛電池供電的系統中十分重要。對于設計為從開(kāi)關(guān)模式電源供電的系統，電源通常設計有濾波器，以消除通常與開(kāi)關(guān)電源相關(guān)聯(lián)的更高水平的電源紋波，并因此表現出更高的電源AC抑制水平。

測試挑戰之一是配置一個(gè)能夠以全功率電平驅動(dòng)DUT的直流電源，但該電源也可以對通過(guò)直流電平上規定的交流信號電平進(jìn)行調制。

PSRR測試設置示例

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制器輸入端（圖中顯示為音頻輸入），為電源輸出提供調制。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。該序列從“RMS電平”測量開(kāi)始，然后是PSRR測量。最終測試數據通過(guò)導出的輸出獲得，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，根據每個(gè)步驟應用于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制輸入。

測試開(kāi)始時(shí)，使用清潔（非調制）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(guò)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(lái)，將發(fā)生器輸出設置為在通常從約20Hz到5kHz的范圍內掃描。在每個(gè)頻率階躍，測量RMS電平。

輸出的原始數據示例圖

分析儀導出的數據示例圖

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

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頻率響應

頻率響應就是當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。對于音頻設備，這通常在20Hz到20kHz的范圍內完成，但對于“高音質(zhì)”音頻，它可以擴展到45kHz或90kHz的帶寬。

以下是頻率響應測試的輸出示例。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。

傳統做法，該測試是用步進(jìn)頻率源來(lái)進(jìn)行的。然而，特別是在生產(chǎn)測試等環(huán)境中，現在使用對數掃頻正弦（chirp）信號來(lái)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(lèi)似結果的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(zhù)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)驅動(dòng)。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)通道被驅動(dòng)。這驗證了DUT可以達到預期的最大功率設計目標，同時(shí)滿(mǎn)足失真性能設計目標。當放大器的功率從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THD+N性能規格與設備等級的對比示例——

通常情況下，在分析儀帶寬設置為DUT的全帶寬（例如，20Hz至20kHz）的情況下進(jìn)行THD+N測試；但不會(huì )再增加更寬的帶寬了，因為這會(huì )增加來(lái)自頻譜不相關(guān)部分的額外噪聲。

然而，對于應使用的分析儀源的應用頻率范圍存在不同意見(jiàn)。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，而高于6kHz的測試有效數據較少。

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），以及相應的THD+N測量結果（使用右縱軸讀取THD+N百分比）。輸出功率曲線(xiàn)在圖的上部，而THD+N曲線(xiàn)在下部。最接近底部的曲線(xiàn)是1W輸出水平下的THD+N，從該曲線(xiàn)向上的下一條曲線(xiàn)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(xiàn)在功率電平之間是一致的，但THD+N曲線(xiàn)有明顯不同。另外，兩條THD+N曲線(xiàn)在約6kHz處急劇下降，這表明當諧波超過(guò)帶寬限值時(shí)，該測量值減小。

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互調失真

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據，因為諧波低于音頻帶寬，并且通常超過(guò)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，這在非線(xiàn)性設備中產(chǎn)生頻率（交互產(chǎn)物）。在大多數設備中，產(chǎn)生IMD的主要機制是AM（振幅調制），它產(chǎn)生的邊帶與原始音頻音調的頻率之和與之差相同。調制產(chǎn)品也可能相互跳動(dòng)，并與原始音頻信號跳動(dòng)，從而產(chǎn)生更多的調制產(chǎn)品。

差頻失真（DFD）是在IEC 60268-3規范中標準化的高頻雙音IMD測試的一個(gè)示例。DFD測試適用于A(yíng)B類(lèi)和D類(lèi)放大器。該測試通常作為設計和開(kāi)發(fā)周期的一部分進(jìn)行，但通常不作為驗證或生產(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)等幅度音調是19kHz和20kHz。通過(guò)計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(lái)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?huà)呙杵骄l率或差頻，以檢查DUT對可能表現出更高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(huì )（SMPTE）標準化，但現在由IEEE管理。與DFD測試一樣，作為設計和開(kāi)發(fā)周期的一部分而不是生產(chǎn)測試來(lái)完成。

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

有反應的諧波現在位于7kHz音調附近。在120Hz、180Hz等頻率下看到的60Hz音調的任何諧波與本試驗無(wú)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測試結果的表示：

實(shí)際測量值見(jiàn)下表。注意≤ 0.5%被視為標準性能產(chǎn)品的良好性能，以及≤ 0.1%被認為是高性能產(chǎn)品的良好性能。該DUT在約0.02%時(shí)表現出特別好的性能，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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串擾

串擾是多信道系統中信號從一個(gè)信道到另一個(gè)信道的無(wú)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)行串擾測試有助于確保一個(gè)信道上的信號不會(huì )耦合到其他信道中。如今，汽車(chē)功放串擾測試極限的性能目標在以下范圍內：標準性能產(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——

串擾應作為頻率的函數進(jìn)行測量，因為它通常隨頻率變化很大。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-加權曲線(xiàn)表明，我們的聽(tīng)力在20kHz時(shí)在-10dB至-12dB的范圍內衰減，而在-3dB至-5dB的范圍中衰減為10kHz。這表明，超過(guò)10kHz的串擾效應將顯著(zhù)減少。第二，如果串擾是由單極雜散電容耦合引起的，并且其他阻抗相對恒定，則串擾幅度將以每倍頻程6dB的速率增加；在10kHz下進(jìn)行評估將證明在仍可能聽(tīng)到串擾的點(diǎn)處串擾的最高水平。

APx500音頻測量軟件提供多個(gè)串擾測試，包括單頻測量、步進(jìn)頻率掃描正弦測量和連續掃描（chirp）正弦測量。對于這些模式中的每一種，用戶(hù)可以選擇驅動(dòng)一個(gè)通道并測量未驅動(dòng)的通道，或者驅動(dòng)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(zhù)輸出端不應有直流電壓。小的直流偏置電壓是可以接受的，但必須測量并驗證其在限值內。較大的直流偏置將影響系統性能，并可能損壞部件。

直流偏置測試與輸出端接通/斷開(kāi)破音噪聲測試相關(guān)，因為功率放大器的直流偏置上升和下降對聲音的反響有很大影響。

使用音頻分析儀測試直流偏置的過(guò)程相對簡(jiǎn)單。連接負載后，功放開(kāi)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果：

標準性能產(chǎn)品小于或等于100mV被認為是好的，而高級性能產(chǎn)品小于或等于10mV被視為好的。

當功放打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)，可能會(huì )出現瞬態(tài)電壓尖峰。根據瞬態(tài)尖峰的水平和持續時(shí)間，這些尖峰可能會(huì )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(tīng)到瞬態(tài)，但最終評估可能涉及在駕駛室中進(jìn)行聽(tīng)力測試。

將音頻分析儀連接到適當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(kāi)啟還是關(guān)閉時(shí)出現的。以下是使用APx500分析儀中的測量記錄儀進(jìn)行此類(lèi)采集的示例，該記錄儀顯示了在測試的開(kāi)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(méi)有讓我們感覺(jué)到這些尖峰對聽(tīng)者有多不利。由于感知響度取決于事件的級別、揚聲器的靈敏度和人類(lèi)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(lèi)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，我們可以使用校準麥克風(fēng)和a加權濾波器以及分析儀來(lái)模擬聲級計。然而，這意味著(zhù)我們需要將揚聲器連接到放大器，并且我們可能需要在暗室中獲得良好的測量結果。此外，研究表明，人耳對雜訊聲和隨機噪聲突發(fā)的反應不同，因此A加權濾波器不是最優(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加權濾波器，以及一個(gè)準峰值檢測器，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(lèi)聽(tīng)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(guò)該測量，我們可以繼續估算聲壓級。

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D類(lèi)功放

“線(xiàn)性”音頻功放為A類(lèi)或AB類(lèi)。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(lèi)功放可以具有非常好的保真度，與線(xiàn)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中描述的相同測試和技術(shù)。然而，D類(lèi)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果。

D類(lèi)功放使用脈寬調制（PWM）或某些其他類(lèi)型的調制來(lái)將功放的效率最大化。每個(gè)脈沖的最大導通時(shí)間出現在正峰值，最大關(guān)斷時(shí)間出現在負峰值。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(dòng)到最小輸出（導致產(chǎn)生輸出中的高頻部分）——

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

幸運的是，這種情況有一個(gè)可靠的解決方案。通過(guò)對輸出端進(jìn)行濾波，可以在高頻成分到達分析儀前對其進(jìn)行濾波，從而顯著(zhù)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(wú)源濾波器。這能在信號到達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(lèi)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，它們是為此而設計的。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標準建議使用這種濾波器進(jìn)行D/A轉換器測量，這種建議的內置濾波器對于D類(lèi)功放測量來(lái)說(shuō)是個(gè)良好的選擇。Audio Precision在A(yíng)Px分析儀中用矩形DSP濾波器來(lái)實(shí)現。

The cutoff response of this filter

除AES17濾波器外，還應使用無(wú)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。分析儀的內部的AES17濾波器不能讓分析儀輸入端免受D類(lèi)功放輸出的高頻信號的影響。

需要注意的是，一些D類(lèi)功放制造廠(chǎng)商配置了內置輸出濾波器。所以，在與測試設備進(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(chē)功放通常進(jìn)行的測試類(lèi)型、預期性能水平、規定特定測試方法的一些行業(yè)標準，以及有助于進(jìn)行這些測量的AP音頻分析儀的功能。