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音频放大器额定功率的测试设备连接和测试过程

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1 、引言

1.1 额定功率基准和基本定义

关于音频放大器额定功率的定义,目前已有多种标准。美国联邦贸易委员会(FTC)针对家庭音频放大器额定功率建立了公平合理的广告国际惯例,详情请参见FTC文档63FR37233,16 CFR,Chapter 1,Part 432的描述。另一个标准为美国电子工业协会(EIA)制定的SE-101-A。在汽车音频领域,一些制造商则采用消费电子协会的CEA-2006-A标准,该标准定义了如何对放大器功率以及信号失真进行测试

如何区分额定功率参数定义的优劣呢?对于一个好的额定功率参数来说,其所有规定参考点都应该是可测量的。

欧姆定律表明了电压、电流以及负载之间的关系,V=I×R,其中V为电压;I为电流,单位为安培;R为负载电阻,单位为欧姆。

功率是单位时间内所做的功,表达式为:

P=V×I=V2/R=I2×R。

对于音频信号,其电压采用Vrms(均方根)表示,计算功率时,通常采用1 000 Hz的基准频率,负载采用阻性负载,因此计算得到的功率为放大器所能承受的平均功率。

FFC的标准更加严格,要求放大器须采用频率为1 000 Hz的正弦波作为输入信号,先以1/8总额定输出功率,预热1小时(多输出系统,所有通道都处于开启状态),然后在周围环境空气温度不低于25℃、持续时间大于5分钟的条件下,让其工作在最大额定功率下,观测输入为20 Hz至20 000 Hz的音频信号时两通道的功率频谱。

还有一些制造商则采用额定平均功率,但是在将原始输入信号放大到一定值时,会产生削波,从而导致较高的失真率。THD+N为10%时,其额定平均功率要比THD+N为1%时大的多。TI公司PurePath Digital功率级器件数据资料中给出了未出现削波和出现削波两种情况下测得的额定功率值。

1.2 额定功率参数的扩展

PMPO表示峰值音乐输出功率或峰值瞬时性能输出,这两种名称可以相互替换,含义也基本相同。PMPO没有明确定义测量标准,PMPO额定功率测量无参考点,通常不能用于高保真音频的性能测试。实际上,制造商提供的PMPO通常是理论上的数值。AB类音频放大器的电源与数字音频放大器的电源存在较大差别。对于AB类音频功率放大器而言,由于模拟元件的物理特性,其PMPO要比数字音频放大器的高的多。AB类音频放大器启动时,电源往往会产生瞬时高压,从而导致较大的电源毛刺。通常所说的PMPO就是基于这一瞬时启动电压定义的。由于客户总是期望音频放大器兼具较高的额定功率和较低的价格,因此PMPO也成为一个非常好的卖点。

利用峰值电压可计算出额定峰值功率。额定峰值功率有时指音乐功率。音乐功率是当输入动态范围大的音乐信号时,音频功率放大器对音乐信号的瞬间最大输出功率。

如果音频放大器的动态余量规定为3 dB,则放大器的峰值功率为平均功率的2倍。例如,如果放大器的额定平均功率为200 W,峰值功率为400 W。某些高端音频放大器由于采用性能良好的电源,因此其动态余量较低,能对任意动态输入音乐信号提供较高且几乎相等的输出功率。

下面介绍两种额定功率的定义,分别为峰值功率和瞬时峰值功率。为了促进某些放大器产品在特定市场或领域的推广,要求额定功率大于标准均方根功率,这时可用峰值功率和瞬时峰值功率来表示PMPO。相对于更侧重理论定义的PMPO,这两种额定功率在实际硬件上都是可测量的。下面以TexasInstruments公司的3款功率级器件TAS5142、TAS5152和TAS5186为例来阐述用于攻略测量的测试设备连接、测试过程。

2、 测试设备

采用的仪器如下:

Audio PrecisionTM的TwoTM-2322音频测试系统(AP);

实验室电源- HP6024A、HPE3610A、HPE3616A以及Sorensen DLM 60-10;

示波器-Tektronix TDS784A;

电流探头-Tektronix TCP202;

电压探头-Tektronix P6139A;

负载-额定功率为200 W的DALE各种阻值的电阻;

参考设计电路板-DAVREF635和DAVREF636。

测试设备连接框图如图1所示,并按以下步骤连接;

音频放大器额定功率的测试设备连接和测试过程

将电源连接至参考设计电路板;

将阻性负载连接至被测功率级器件的输出端;

将电流探头连接至被测功率级器件的输出端;

将电压探头连接至被测功率级器件的输出端;

将AP连接至被测功率级器件的输出端。

3、 功率测试

3.1 RMS功率

测试步骤如下:

1) 将PVDD电压(MOSFET电压)设置为各器件数据资料中所规定的工作电压典型值。

2) 用AP产生一个0 dBFS的1 kHz连续正弦波。

3) 负载阻抗取各数据资料中规定的典型值。

4) 调制器增益设置为0 dB。

5) 用电流探头捕获输出电流的波形。

6) 用电压探头捕获输出电压的波形。

讨论:

根据引言部分给出的功率公式可计算出平均功率:

采用示波器捕获的电压或电流曲线中的参数(参见表1),可以得出:

其中,IPP为电流峰值,R为负载阻抗。

注意:上述公式适用于0 dB(正常)输入,不适用于发生削波(THS+N为10%)时的情况。

在相同的测试条件下,计算结果与采用AP捕获的功率测量值相关。在给定的负载阻抗下,AP利用高精度仪表可以捕获Vrms值,然后用AP Win-dowsTM软件将处理而得的功率值绘制成图形。

Texas Instruments还提供具有数字增益控制功能的RMS功率测量方式,使THD+N≤10%。利用TI公司的TAS5508或TAS5086型调制器,可以实现数字增益。THD+N为10%时的平均功率要高于正常FTC的THD+N《1%时的额定功率。表2列出了THD+N为10%时的平均功率。

3.2 峰值功率

测试步骤如下:

1) 将PVDD电压(MOSFET电压)设置为各器件数据资料中所规定的工作电压典型值。

2) 用AP产生一个0 dBFS的连续1 kHz正弦波。

3) 负载阻抗取各器件数据资料中规定的典型值。

4) 调制器增益设置为0 dB。

5) 用电流探头捕获输出电流的波形。

6) 用电压探头捕获输出电压的波形。

测量负载阻抗上的最大电流或最大电压,算出峰值功率。根据功率计算公式,又可推导出以下的峰值功率计算公式:

采用示波器捕获的电压或电流曲线中的参数(参见表3):

其中,IPP为峰峰电流,R为负载电阻。需要说明的是TI在数据资料中未公布PurePath Digital功率级器件的峰值功率。

3.3 瞬时峰值功率

测试步骤:

1) 将PVDD电压(MOSFET电压)设置为各器件数据资料中所规定的工作电压典型值,例如:TAS5142=34 V;TAS5152=37 V;TAS5186=39 V。

2) 用AP产生0 dBFS的1 kHz正弦波。

3) 阻性负载取不同的阻值,并按照以下步骤确定器件关断之前的最低负载值。

4) 在器件自身不发生关断之前,把器件的数字增益设置到最大,该步骤与上一步骤一起执行。调节增益直到示波器捕获一个完整的正弦波。

5) 用电流探头捕获电阻上的峰峰值电流波形。

6) 用电压探头捕获峰峰值电压波形。

同样在TI的数据资料中也没有给出PurePathDigital功率级器件的瞬时峰值功率。可以看出,瞬时峰值功率无任何标准。瞬时峰值功率主要取决于系统和测试装置架构。

4 、结束语

Texas Instruments(TI)的PurePath Digital音频器件性能卓越。TI一直为提高产品的标准和集成度而努力,其中包括为用户提供全面的支持文档如数据资料、应用笔记等等。在测试TI功率级器件时采用正确的工程技术,可以获得精确的测量结果。资料中提供的音频性能是通过AP测试设备采集的。所获得的性能参数(包括额定功率)都是可通过TI评估板追溯和再次验证的。所有功率级器件数据资料中的额定功率都指的是能连续提供的平均功率。

FTC规定了美国市场产品的额定功率,其他国家不受此要求限制。因此,TI客户可以为其产品自由选择顾客接受的额定功率。

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