2011-10-21嘉兴禾润电子科技有限公司 张林俊
摘要
此应用手册提供了测试音频功放产品规格书中相关参数的测试方法，主要仪器采用Audio Precision™的System Two™音频测试系统，数字万用表，直流电源等.
目录
1 介绍......................................................................................................................................... 3 2 基本测试系统......................................................................................................................... 3 3 与音频功放的接口连接......................................................................................................... 4
3.1 差分输入和BTL输出 (TPA731 and TPA2000D1) .................................................... 4 3.2 单端输入和单端输出 (TPA0211 and TPA711)........................................................... 5 3.3 其他结构....................................................................................................................... 6 3.4 D类RC低通滤波器.................................................................................................... 6 3.5 D类负载....................................................................................................................... 7 4 总谐波失真+噪声 (THD+N) ................................................................................................ 8
4.1 THD+N vs Output Power.............................................................................................. 9 4.2 THD+N vs Frequency ................................................................................................... 9 4.3 最大输出功率带宽..................................................................................................... 10 4.4 最大输入电压............................................................................................................. 10 5 噪声....................................................................................................................................... 10
5.1 芯片噪声 vs Frequency ............................................................................................. 10 5.2 信噪比......................................................................................................................... 11 6 增益和相位........................................................................................................................... 11 7 串扰....................................................................................................................................... 13 8 电源抑制............................................................................................................................... 14 9 功率相关测试及相关计算................................................................................................... 17
9.1 效率测试..................................................................................................................... 17 9.2 耗散功率 vs 负载功率 ............................................................................................. 19 9.3 Crest Factor and Output Power ................................................................................... 20 10 测试缺陷............................................................................................................................... 21
10.1 不适当的接口连接和接地的影响 ......................................................................... 21 10.2 THD+N 测试 ............................................................................................................. 22 10.3 噪声测试................................................................................................................. 22 10.4 增益和相位测试..................................................................................................... 22 10.5 串扰测试................................................................................................................. 22 10.6 电源抑制测试......................................................................................................... 22 10.7 效率测试................................................................................................................. 23 11 参考....................................................................................................................................... 23
Audio Precision and System Two are trademarks of Audio Precision, Inc. Other trademarks are the property of their respective owners.
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音频功放测试指南 表格
表格 1.电缆线尺寸最小推荐值 ···························································································· 5 表格 2. RC测试滤波器的典型值························································································· 7 表格 3. 负载取值 ················································································································· 8 表格 4. TPA731和TPA2001D1的相关效率数据······························································ 19 表格 5. Power vs Crest Factor ····························································································· 21
图片
图表 1.音频功放测试系统: (a) AB类功放 (b) 免滤波D类音频功放 ······························ 4 图表 2. 差分输入—BTL 输出测试电路 ············································································· 5 图表 3. 单端输入—单端输出测试电路 ·············································································· 6 图表 4. 测试系统中低通滤波器的推导电路—D类音频功率放大器································ 7 图表 5.使用AP-II测试系统的THD+N测试电路: 差分输入/BTL输出音频功放 ··········· 8 图表 6. TPA2001D1和TPA731的THD+N vs POUT ························································· 9 图表 7. TPA2001D1和TPA731的THD+N vs Frequency ················································· 10 图表 8.噪声测试电路 ········································································································· 11 图表 9. 噪声测试结果Vout(noise) vs Frequency ······························································· 11 图表 10.增益和相位测试电路 ···························································································· 12 图表 11. TPA731 增益和相位测试结果 ············································································ 12 图表 12. TPA2001D1增益和相位测试结果 ······································································ 13 图表 13. 串扰测试电路······································································································13 图表 14. 串扰vs频率 ········································································································ 14 图表 15. PSRR 和 kSVR 测试电路 ···················································································· 15 图表 16. KSVR滤波电路 ······································································································ 16 图表 17. TPA2001D1和TPA731的kSVR ··········································································· 17 图表 18. CBYPASS对AB类功放TPA711的kSVR的影响 ··················································· 17 图表 19. AB类和BTL输出D类功放的效率测试电路 ··················································· 18 图表 20. TPA731和TPA2001D1的效率图表（ηvs Pout）·············································· 19 图表 21. 耗散功率 vs 输出功率 ······················································································ 20 图表 22. TPA731和TPA2001D1的Supply and Output Power vs CF ······························· 21 图表 23 . 信号发生器与音频功放接口对THD+N vs Power测试的影响························ 22
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音频功放测试指南
1 介绍
音频测试的主要目的是测定器件在可闻频段（20 Hz到20 kHz）的性能. 虽然大部分人听不到小于50 Hz 、大于17 kHz 的声音，但是20Hz-20kHz是一个更精准的可比较的工业标准，其性能可通过简单的仪器快速分析得到。
测试音频功放通常有以下几个关键参数： THD+N vs 输出功率 • 串扰 vs 频率 THD+N vs 频率 • 电源抑制比 增益和相位 vs 频率 • 电源纹波抑制比 芯片噪声 • 效率 信噪比 • 芯片耗散功率
此应用笔记中的测试均采用特定的测试板。大多数测试中使用了TPA2001D1和TPA731单通道设备. 串扰测试则要求双通道产品，使用TPA2001D2和TPA0212 。
需要注意的是，相关测试均依赖于PCB的layout, 特别是D类功放的测试. 规格书中的图表是在专门设计（以求精简准确）的测试板上测得，以反映其典型规格。而本应用手册上的测试均在EVM板上进行，其有现实的layout限制。所以一个特定的音频系统的测试结果与典型规格可能有所不同。如果一致性较差，通常是PCB layout或者测试系统的问题.
2 基本测试系统
此应用手册是基于以下的基本测试仪器来考虑测试方案的: 音频分析仪 或者 频谱分析仪 • 数字万用表(DMM) 示波器 • 双绞线 信号发生器 • 功率电阻 线性稳压电源 • 滤波器 EVM或者其他完整的音频测试板
图1是AB类和D类功放的测试系统结构图. 正弦波作为信号输入. 分析仪接入音频功放的输出端以测试电压输出. 此分析仪必需适用于整个音频带宽. 电源使用直流稳压电源，以减少其通过电源端口把噪声和失真引入音频功放。AP（Audio Precision）的音频测试系统2 (AP-II) (参考1)囊括了信号发生器和分析仪.
信号发生器输出端与功放输入端必需交流耦合连接。当然，一般DEMO板已经有交流耦合电容(CIN)，所以无需额外添加. 由于音频功放的输入电阻不是很大（大约为10 kΩ），信号发生器的输出电阻应足够小以避免测试信号的削弱。相反，分析仪的输入电
除了与功率相关的计算阻则应足够大。音频功放的输出电阻ROUT 通常只有数百个毫欧，
外基本可以忽略。
图1(a) 是AB类功放测试系统,由于AB类功放是线性的（他们的输出信号相对输入信号是线性的关系），输入输出均为模拟信号，其测试系统相对较为简单，其测试板可直接接入AP-II或者其他分析仪的输入端。
图1(b)是一个典型的D类功放测试系统, 其为了测试音频输出波形大多数情况需要低通滤波器. 这是因为D类功放输入为模拟信号，而输出为PWM信号（其不能被大部分分析仪正确处理）。
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图表 1.音频功放测试系统: (a) AB类功放 (b) 免滤波D类音频功放
这里分两种D类音频功放: 传统D类，其需要低通LC滤波器以产生模拟输出；而禾润的新型免滤波D类在正常工作下无需低通滤波器（喇叭的感性足以使其达到高效率）。
免滤波D类音频功放产品采用的调制方案无需滤波器便能正常工作,但是在做相关测试时，有时需要一个RC低通滤波器，这是因为有些分析仪无法正确处理快速变化的方波而得到一个非常高水平的失真. 因此使用RC低通测试滤波器来去除调制波形，以使分析仪能对输出的正弦波信号进行测试。
3 与音频功放的接口连接
这部分主要描述的是在将音频功放连接至测试仪器时需要考虑的几个关键点. 前两个小节是针对差分和单端输入输出音频功放的接口连接，而最后两个小节是讨论在测试免滤波D类音频功放时需要用到的RC低通滤波器和负载的设计。
3.1 差分输入和BTL输出 (TPA731 and TPA2000D1)
禾润所有D类音频功放和部分AB类音频功放均有差分输入和桥接输出(BTL)的方式. 差分输入的每个通道有两个输入引脚，其工作方式是放大两个引脚间的压差。差分输入有利于减小共模噪声及输入信号的失真。BTL在音频中用来描述差分输出. BTL输出有两个输出引脚，两者的输出信号相位差为180°. 负载连接至这两个输出引脚. 另外，BTL输出方式能够增大输出功率（4倍于常规），免去了输出的隔直电容.
测试电路的结构如图2所示. 差分输入即为平衡输入，正端(+)和负端(-)对地阻抗相同，类似的，BTL输出即为平衡输出.
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图表 2. 差分输入—BTL 输出测试电路
信号发生器应为平衡输出，其输出信号应尽量完全平衡以求最佳的测试结果. 不平衡的输出也可使用，但其可能产生地环路从而影响测试精确度.分析仪亦需要平衡的输入方式以保证系统的完全平衡，从而抵消电路中任何可能的共模噪声，以求测试的精准。
在与差分输入/BTL输出的音频功放连接时有以下几点规则需要遵循: 使用平衡的输入信号. 使用平衡输入的分析仪. 所用连接使用双绞线.
当系统环境有噪声时使用屏蔽措施.
确保电源线、负载线足以承受相应电流 (参看下表1).
表1提供了用于音频测试系统的电源线和负载线的推荐尺寸. 应特别关注DC或者AC电流流经电缆线导致的功率损耗，表中相关值是基于12inch长的电缆线在25°C环境下经过20kHz正弦波信号所产生的损耗.
表格 1.电缆线尺寸最小推荐值
3.2 单端输入和单端输出 (TPA0211 and TPA711)
单端输入单端输出的结构只适用于AB类功放，其测试电路结构图如下图3. 一般而言，此类功放为耳机功放, 当然TPA0211和TPA711也支持单端方式. 单端输入的每个通道通常只有一个输入引脚，有时也有两个输入引脚，一个接信号，另一个接地. 单端输出的每个通道只有一个引脚，通过一个交流耦合电容驱动负载，负载的另一端则接地.
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音频功放测试指南 单端输入和单端输出被认为是不平衡的连接方式，即一端接地，另一端接功放的输入/输出.
信号发生器也需要有不平衡的输出，其信号应以信号发生器的地为参考，以求最佳测试结果.分析仪应采用平衡输入以抵消测试系统中任何可能的共模噪声.
图表 3. 单端输入—单端输出测试电路
在与单端输入/单端输出的音频功放连接时有以下几点规则需要遵循: 使用不平衡的输入信号. 使用平衡输入的分析仪. 所有连接使用双绞线.
当系统环境有噪声时使用屏蔽措施.
确保电源线、负载线足以承受相应电流 (参看3.1节表1)
3.3 其他结构
有些功放的设计采用上文讨论过的两种结构的混合. 比如TPA0312 采用差分输入和单端输出的结构，而TPA711 采用单端输入和BTL输出的结构. 而TPA0212 可以采用任何输入输出模式的组合，对于这种产品的测试，可以根据3.1节和3.2节的对应部分来配置合适的测试系统.
3.4 D类RC低通滤波器
RC滤波器是在分析仪无法处理PWM调制的D类输出波形时用来还原输出方波信号的，其对测试精准度影响甚微，因为其截止频率通常配置在高于20KHz的频率点. 高频率方波对测试精准度的影响是可以忽略的，因为其大大高于可闻频率范围，而扬声器也无法对如此快速的波形做出响应. 当使用LC滤波器时（比如测试传统D类功放如TPA032D0x, TPA005Dxx时），RC滤波器就无需再用.
RC滤波器的元件参数选择，依据下图4的等效输出电路. RL 是负载阻抗. 分析仪的输入阻抗，用RANA //CANA 表示，应是可知的. 滤波器元件RFILT和CFILT根据系统的需要而设置. 滤波器应接地至靠近输出地的音频功放地，或者电源地，以较小地环路.
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图表 4. 测试系统中低通滤波器的推导电路—D类音频功率放大器
此电路的传递函数如下（1）式，其中ωO =REQCEQ, REQ = RFILT//RANA , CEQ =(CFILT
+CANA). 滤波器的截止频率应高于fMAX, 即测试的最高频率, 以防止其削弱音频信号. (2)式是截止频率fC相对于fMAX适宜的值. RFILT 的值必需足够大以减小对负载的分流, 也应
在大足够小以减小由RFILT 和RANA.组成的分压器对分析仪输入信号的衰减. 按照经验，
，其在RANA ≥ 10 kΩ下测试，误差不会超多数测试环境下RFILT需要较小的值（~100 Ω）
过1%。
不过，在效率测试时, RFILT必须增大十倍，以减小滤波器分流. CFILT则相应的减小十倍以保持同样的截止频率. 下表2是滤波器元件的推荐参数.
当fC已由（2）式确定，而RFILT也已由表2选择确定, 滤波器的电容值则可由(3)式计
（2）算得到. 如果实际没有计算得到的电容值, 建议选择一个较小的电容，以保证fC 大于
式计算得到的最小需求值.
表2是RFILT and CFILT的常规推荐值. fC 为28 kHz，即当 fMAX=20 kHz时算得. CFILT计算得到应为57 000 pF, 最靠近的值为56 000 pF.
表格 2. RC测试滤波器的典型值
3.5 D类负载
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音频功放测试指南 文中各图中，RL即为测试音频功放是采用的负载，建议采用纯电阻(R)串联电感(L)的方式来模拟扬声器（特别是我公司生产的HT6873, HT6879, HT6818, HT6819），具体配合方式可参看下表。
表格 3. 负载取值
R L 2ohm 22uH 4ohm 22uH 6ohm 33uH 8ohm 33uH
4 总谐波失真+噪声 (THD+N)
THD+N是一个基于基频的百分比参数，其综合评估了噪声、失真和其他不希望的信号对系统的影响. 理想状态下, 输入一个单一基频的正弦波信号，功率放大器的输出应仍为该单一频率的正弦波，但现实情况并非如此. 音频功放的非线性, 内部和外部噪声源, layout，接地问题，这些都是使原始信号失真的因素.
THD+N需要测量基频信号进入功放、过滤后剩下的一切包括谐波和噪声的信号. 其值再除以频率，最后以百分比的形式表示. 测试带宽通常限制在可闻频率范围内，只测试可闻频段内的噪声. 信号发生器、音频分析仪、滤波器的本底噪声和失真应至少比音频功放的失真小10dB，以确保测试的精确 (参考4).
图5是采用AP-II搭建的差分输入/BTL输出音频功放的THD+N测试系统. 通常，使用分析仪内部滤波器限制带宽以减小带宽外的噪声，但是这也会减小较高频信号的相关谐波信号. AB类和D类音频功放可使用30 kHz截止频率的滤波器，10 kHz 的三次谐波可顺利通过. 限制带宽削弱了高频失真，但这些谐波失真已经超过了可闻频率，人耳无法听到，所以并不影响.
在一些规格书中习惯用THD+N vs output power, THD+N vs frequency, 以及最大输出功率带宽（the maximum output power bandwidth）三项测试来描述THD+N, 这三项测试分别在4.1到4.3节有所讲述. 4.4节提供了一种计算测试音频功放最大输入电压的方法. 当器件有BYPASS引脚时，这些测试还与CBYPASS的取值有关，减小CBYPASS，THD+N增大.
图表 5.使用AP-II测试系统的THD+N测试电路: 差分输入/BTL输出音频功放
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音频功放测试指南 4.1 THD+N vs Output Power
图6是一个THD+N vs output power的图表. 信号发生器在一个固定频率产生一组电压幅度从小到大的信号. 在给定负载阻抗下输出功率由音频分析仪计算得出. 在每个不同电压幅度（对应不同输出功率）下，基频被测量并滤除，得到剩下的所有谐波信号的幅度，其值除以基频信号的幅度，然后以百分比形式（即THD+N）表示在图表中. 低输出功率（POUT）处有更高的失真，这是因为信噪比的减小（谐波幅度的减小低于不变的本底噪声(参考4)）. 随着输出功率（POUT）的增大，失真突然增大，这是因为输出信号已经开始破音.
图表 6. TPA2001D1和TPA731的THD+N vs POUT
4.2 THD+N vs Frequency
图7是一个THD+N vs frequency的图表. 信号发生器在固定幅值下产生一组频率从20 Hz到20 kHz的信号，分析仪在每个频率点测试音频功放输出端的谐波和噪声，其除以基频信号的幅度，然后以百分比形式（即THD+N）表示在图表中. 通过此图标与THD+N vs power 的对比，可检查在某个特定频率和功率下THD是否对应.
由于1/f 噪声（flicker noise闪烁噪声）的原因，从图7中也可以看出，低频处有更大的THD+N. 随着频率增加达到一定值（如图7中的200Hz附近）,THD+N会随着频率的增加而增加，这是由器件的非线性，特别是交越失真，以及音频功放的开环增益的减小引起的. 由于这里的谐波都高于人耳可闻频率，所以其不会影响到音频质量(参考 5). 随着频率的继续增大，THD+N迅速下降（如图7中的10KHz附近），这是由于分析仪中限制带宽的滤波器削弱了30kHz以上的谐波. 如果增加分析仪内部滤波器频率，会减弱D类音频功放的测试精度，而对AB类音频功放则影响甚微. 对于AB类音频功放，如果没有滤波存在，随着频率的增加，THD+N并非下降而是基本恒定. 因为RC滤波器的存在（其30KHz后增加了衰减），D类音频功放随频率增加THD+N会比AB类下降的更快.
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图表 7. TPA2001D1和TPA731的THD+N vs Frequency
4.3 最大输出功率带宽
最大输出功率带宽是THD+N vs frequency 的测试，即音频功放在频率范围20 Hz
到20 kHz，THD+N低于一个百分比（通常小于1%）下测得的最大输出功率.
4.4 最大输入电压
增大输入信号幅度直至输出恰好削顶但还未削顶，此时的输入电压即为最大输入电压. 另一种测试方法是由规格书中的最大额定输出功率（RMS）计算出最大输入信号的电压峰峰值，或者由 THD+N vs Power在需要的THD+N处得到功率而计算得到. (4)式
（RMS）,RL 是最大输入电压（峰峰值）的计算公式，其中POUT(max) is 是最大额定输出功率
是负载阻值, AV是音频功放的电压增益（V/V）.
5 噪声
依据两种噪声种类，有两类测试项目：可闻频带内的整体噪声，及输出信号的信噪比(SNR).
5.1 芯片噪声 vs Frequency
图8是差分输入/BTL输出的音频功放的噪声测试电路. 图9描述的是TPA2001D1和TPA731的输出噪声电压. 音频功放的所有输入应当通过输入电容交流耦合至地，以减少系统对外部噪声的拾取而影响结果. 图6是THD+N vs POUT 的图表。 此处AP信号发生器未用，应关掉.
测试噪声时分析仪应设置为测试幅值，且其带宽应限制在可闻频段范围内. 分析仪的带宽通过内部滤波器限定在22 Hz – 22 kHz. 扫描界面(sweep panel)的数据域(data field)设置为测试分析仪的幅度(Anlr Ampl)，源(source field)设置为扫描信号发生器的频率(Gen Freq)，即从20Hz到20KHz. 输出应设置为V RMS ,然后除以增益得到输入噪声，不过规格书中一般列出的是输出噪声，单位µVRMS.
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图表 8.噪声测试电路
图表 9. 噪声测试结果Vout(noise) vs Frequency
5.2 信噪比
信噪比(SNR)即为芯片输出电压与芯片在可闻频带内的本底噪声之比, 用dB表示. 产品规格书的表格中记录的通常是在某个功率下的SNR. 测试芯片本底噪声即为上节5.1所述方法. 然后通过输入一组在1KHz下不同电压的输入信号来测试输出信号的失真. AP测试系统的搭建与测试THD+N vs Power相同（图5，4.1节），除了X轴应为VOUT(RMS)而不是POUT. 最大输出电压即为输出开始削顶的一刻（THD+N开始急剧增加）.
SNR可通过(5)式计算得到. 其中噪声和信号还可以表示为dBV值（对1V的dB比）, 则(5)式可简化为(6)式.
SNR = dBVOUT − dBVNOISE (6)
任何未用的输入应AC耦合至地。测试带宽应予以限制，以求芯片本体噪声测试的精确.
6 增益和相位
采用AP测试单通道、BTL输出音频功放的测试电路如下图10. TPA731和
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音频功放测试指南 TPA2001D1的测试结果如下图11和12. 当然，也可用示波器在不同频率点测得相关数据，通过(7)式 (8)式计算得到增益(Av(dB)）和相位(θ)特性,其中∆t是输出信号与输入的时间延时，f是输入信号的频率. 数据最后与频率为X轴做图表.
图表 10.增益和相位测试电路
图10是采用AP-II搭建的测试单通道音频功放的电路. 信号发生器的两个通道都打开，并且设置为CHB跟踪CHA. 分析仪的CHB设置为GenMon (监控)模式, 即此通道直接接收信号发生器中被跟踪通道(CHA)的输出信号并将其传输至AP-II以作为测试的参考相位. 参考值dBrA应设置为与产生信号的通道（CHA）相同的参数，这样增益测试即以CHA的信号为参考. 为得到真实相位值，需要把测试得到的值减去180°.
音频功放输入的AC耦合电容会产生相位移，且在低频时对输入信号有一定的衰减. D类测试系统中的RC滤波器亦能产生一定的衰减和相位移（图12的高频部分）. AP分析仪的滤波器带宽应设置在 <10Hz 和 ≥ 30 kHz 以减小其对测试的影响.
图表 11. TPA731 增益和相位测试结果
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图表 12. TPA2001D1增益和相位测试结果
7 串扰
串扰的测试即为对立体声器件的两个信号通道间相互耦合的测试，对于差分输入BTL输出的测试电路如下图13.此电路是测试R-L串扰，或者说是从右通道(CHA)串扰到左通道(CHB)的信号总量. 右通道输入一个信号，测试两个通道的输出，然后通过(9)式计算串扰值. 其中右通道的输入信号幅度固定，频率从20 Hz到20 kHz.
图表 13. 串扰测试电路
信号发生器的两个通道都打开，并且设置为CHB跟踪CHA. 输入信号（CHA）的幅度应设置在保证输出信号不削顶的最大值，而其频率在可闻频段内从高到底扫描. (10)式是计算最大输入峰峰值电压的公式, 其中POUT(max)最大额定输出功率（RMS）, RL是负载阻值, AV是音频功率放大器的增益. 分析仪内部滤波器可设置在30 kHz以限制带宽
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音频功放测试指南 外的噪声，当然也可以不这么做. 输出通道的电缆线应各自独立，以减小两者间的容性耦合.
对于单端输出的器件，RL的一端接地，另一端经电容连接至芯片. 分析仪接入RL两端，而不是RL和电容两端.
图14是一个R-L串扰vs频率的曲线图. 如果把R-L和 L-R串扰都放在图中，会发现两条曲线并非一致，这是由于IC lay out的不对称导致的两个通道的阻抗不匹配而引起的.
图中，AB类曲线是TPA0212的测试结果，D类曲线则是TPA2001D2的测试结果，其与相应的数据规格中的图表非常吻合. 当电源电压减小，D类的串扰也会随之（改善）减小，这是因为走线的辐射减小了. 而AB类的串扰不会因电源变化而受影响. 不管何种功放，系统增益的增加都会引起串扰的增大.
图表 14. 串扰vs频率
8 电源抑制
衡量电源抑制有两种参数: 电源抑制比(PSRR)和电源纹波抑制比(kSVR). PSRR是直流参数，即描述输出信号电压受电源变化影响的量. kSVR也是一个直流参数，其描述音频功放在受到电源交流纹波干扰后的抑制能力. 对于AB类功放的此项测试，电源端不能加任何去耦电容，而对于D类，只需在靠近音频功放电源端加一个0.1µF去耦电容以提供返回路径来恢复开关电流. 在对比不同器件的kSVR时，建议对在相同耦合电容值下测得的kSVR进行对比，因为较高的电容值能得到更好（小）的kSVR.
其计算公式如PSRR是输出电压(VOUT(dc))变化与电源电压(VS)变化的比,用dB值表示，
(11)式. 比如，一个音频功放的PSRR是-70 dB，则如果电源电压变化0.1V，功放的输出电压应31.6µV变化.
kSVR is是输出纹波电压（VOUT(ac)）与电源纹波电压（VS）的比，用dB值表示，其计算公式如(12) 式.在产品规格书中，此参数经常是定义在1 kHz和25°C条件下测得的典型值. 由于该参数在不同频段会有不同，规格书中通常还会提供一个在可闻频段内kSVR vs 频率的曲线图.
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PSRR和kSVR 的测试电路如下图15. 其中PSRR测试时只需要两个数字万用表，而RSVR、CSVR、信号发生器与分析仪、RC测试滤波器都不需要.电源电压VS预先设置好一个值, 然后从电源或者DMM1读出VS值. DMM2则读出负载两端的电压VOUT. 然后增加或减小VS一定的量，去测试响应后VOUT的值.
两次测试所得值代入(11) 式，便求得PSRR值. PSRR的典型值通常是在环境温度25°C 下给定电源电压下测得的。音频功放的输入端必需交流耦合至地.
图表 15. PSRR 和 kSVR 测试电路
kSVR测试需要信号发生器，分析仪，一个数字万用表, 以及滤波元件RSVR和CSVR. 在
测试免滤波D类音频功放时，如果分析仪无法正确处理方波，则需要加RC滤波器. DMM1用来测音频功放电源端电压VS. 信号发生器输出一个小正弦波信号至电源线, 分析仪的两个通道则分别测试电源端和输出端的交流电平. 此处，AP-II配置即为串扰测试，(CHA)在可闻频段内产生一组固定幅值的交流信号, 然后(CHB)测试音频功放的输出交流电平最终按(12)式以dB值画出图表.
如果电源有混入交流分量的功能，或者电源使用变压器将某处的交流电压耦合至电源线，则信号发生器可省去. 无论如何，在测试过程中需随时检查音频功放电源端的电压以确保其不超过功放的最大额定值.
图16是kSVR滤波器电路. 其中RS是直流电源的输出阻抗（内阻），通常在毫欧级别. RAPA是音频功放电源端的输入阻抗，通常很大（数百至数千欧）. 对于信号发生器的输出信号，RAPA 和 RS是并联的, 又因为RS相对于RAPA 非常小，其就相当于是一个交流地. 电阻RSVR用来增加电源内阻的等效电阻以近似等于信号发生器的输出阻抗RGEN.由RSVR和RGEN形成的分压器给音频功放的电源端提供了一个合理的电压幅度. 因为音频功放的输入接地没有输入信号，音频功放处于空闲状态，所以DC和AC电源的电流很小，相对较大的RSVR值是可容忍的.
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图表 16. KSVR滤波电路
将信号发生器交流耦合至电源线并提供一个高通滤波器以提供交流信号输入至音
频功放电源端的通道. 高通滤波器的截止频率fC, 应低于可闻带宽的最小频率fMIN（20 Hz）. (13)式提供了建议值fC ~14 Hz.
图16的等效电阻可由 (14)式计算, 其中RAPA可由电源电压除以静态电流得到(VS/IQ).随后CSVR的值由(15)式计算得到. REQ = RGEN + RAPAll(RSVR + RS) ≈ RGEN + RSVR (14)
由于取值的需要（很大），CSVR很可能需要选择电解电容.在不同频率下其电抗计算公式如(16)式. 在20 Hz其阻抗会相当大―大约与RGEN和RSVR的值相当 ―而在20 kHz其阻抗只有毫欧级别.
测试电路的真实值RGEN =20Ω,RS =0, RAPA =5V/6mA = 833Ω, CSVR = 330µF, RSVR=20Ω,fC = 12 Hz. 这（CSVR）将在20 Hz 时产生24 Ω 容抗，20 kHz时产生24 mΩ 容抗. 因此在低频时交流信号（纹波）的值可能需要调整，以得到需要的（纹波）电压值给音频功放电源端. 同样的，对直流电源也是一样，因为IQ经过RSVR会下拉一定压降.
对于有BYPASS端的芯片，其BYPASS端电容增加有助于改善（减小）kSVR. 而单端器件也具有有更低的kSVR, 特别是在可闻频段内的低频段和高频段.
输入为100-mV RMS 正弦波是的kSVR曲线图如下图17. 其中的器件都是差分输入BTL输出的. 其中TPA731测试是输入端悬空，而TPA2001D1则是输入端AC耦合至地. 图18摘自TPA711的产品规格书，其显示了CB 的变化对单端输出器件的kSVR 影响.
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图表 17. TPA2001D1和TPA731的kSVR
图表 18. CBYPASS对AB类功放TPA711的kSVR的影响
9 功率相关测试及相关计算
器件的功率相关测试可得到一些有用的数据. 功率相关测试首先开始于功放的效
率测试. 然后功放的耗散功率得以计算. 这对于比较不同器件的电源供给非常有用. 音频信号的振幅因素（The crest factor (CF)）直接影响输出功率, 其影响可通过耗散功率的计算来表明.
9.1 效率测试
效率是用来衡量从输入电源传递到输出负载的量的一个参数. 对于AB类功放，其相当于一个在电源和负载间的可变电阻，其输出晶体管工作在线性区，其消耗了相当一部分功率，因此效率较低. 而D类功放的输出就像一个开关，其工作在饱和区时，只有很小的阻抗，所以效率较高.
AB类和D类音频功放的效率测试电路如下图19. 最简单的是电源直接有电压和电流计的读数. 当没有电流计时可将R1加在电路中取代，其值应足够小(0.1Ω)并且能够足以应付相当的电流. R1会上产生一个压降，所以电源电压需要调整，以在器件电源端有
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音频功放测试指南 需要的电压VS. IS =V1/R1即为电源提供的平均电流.
数字万用表和音频分析仪能提供电压和电流的有效值, 电压和电流相乘，便得到平均功率. 测试时，功率表提供电压和电流的平均值. 示波器则测量电源和输出的电压值（平均值或者有效值）. 有些示波器有电流探针，可通过一根线来测量电流，这时，R1就不需要了.
负载上的测试，AB类和D类有所不同. 图中负载有两个器件：真实负载ZL和电阻R2. 对于AB类功放，负载是一个无感性的功率电阻, ZL =RL, 其必须能够承受最大功率，且随温度增加其阻值基本不变——否则会影响测试精确度. 此纯电阻负载使得输出负载相对简单，因为在计算输出功率时只需要测量负载两端的电压VOUT即可. 由于输出为正弦信号，所有测试仪器均需交流耦合至负载. 在RL上会有一定的静态功耗，但可以忽略. 对于AB类的效率测试，由于负载是纯电阻，R2并不需要.
D类功放的开关性使得相关输出测试更具挑战性. 首先，使用扬声器作为免滤波D类功放的负载，因其感性会提高D类功放的效率，使用纯电阻负载作为测试免滤波D类功放并不正确, 其不能提供正确的效率数据. 其次，输出功率的计算必须基于电压和电流，而不是阻抗，因为阻抗为随频率而变化. 串入小电阻R2后用万用表或分析仪测试负载电流有效值（IOUT =V2/R2）. 而整个负载（扬声器和小电阻R2）的电压有效值即作为功率计算的电压值.
Load Zis a speaker for class-D APAs and is a purely resistive load for class-AB APAs
L
DMM1 and Channel 2 of the AP/oscilloscope (or a third DMM) are used to measure the average power supply current and voltage when power supply meters are not accurate. If not used, remove resistor R.
1
图表 19. AB类和BTL输出D类功放的效率测试电路
(17)式是AB类功放的效率计算公式, (18) 式式D类功放的效率计算公式. 在两个计算公式中，如前面提到的，电源电压和电流均使用平均有效值. 电源电压和电流使用平均有效值是因其有直流和交流成分而并非完全正弦. 由两个有效值的乘积得到的输出功率也是平均值有效值.
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当分析仪或数字万用表无法正确处理开关信号时，测试免滤波D类功放需加RC滤波器. 其中电阻需要足够大以减小流经滤波器的电流, 而电容需设置到需要的截止频率（刚好大于20KHz）. 如果电阻不够大，效率计算时滤波器电流必须考虑进去. RFILT 和
kHz. 此滤波器只在D类音频功放CFILT 的建议值为1 kΩ 和5.6 nF. 其截止频率为 ~28
中需要，相关细节在第3节中有详细论述.
表4和图20是使用3.3V供电、Fluke 87 III数字万用表测得的效率数据和图表. 使用数字万用表、AP分析仪、TDS 754示波器测试AB类的数据通常非常的吻合. 而在测试D类时，数字万用表和AP的数据比较吻合，但示波器的数据通常却要高5-10%，这是因为示波器的尽量平均会产生一定的错误，特别是在大功率输出时. 而数字万用表的数据更可靠，因为它滤除了开关信号的高频谐波，从而得到更为稳定的低频值.
表格 4. TPA731和TPA2001D1的相关效率数据
Vs (Vave)
Is (mAave)
Ps (mWave)
Vout (mVrms)
Pout (mWave)
Eff (%)
Is (mAave)
Ps (mWave)
Vr (mVrms)
Vout (mVrms)
Pout (mWave)
Eff (%)
3.3 23 75.9 200 5.0 6.6 3 9.9 0.7 58 0.4 4.1 3.3 28 92.4 250 7.8 8.5 4 13.2 1.3 104 1.4 10.23.3 40 132.0 354 15.7 11.93.3 45 148.5 400 20.0 13.53.3 56 184.8 500 31.3 16.93.3 67 221.1 600 45.0 20.43.3 79 260.7 708 62.7 24.03.3 89 293.7 798 79.6 27.13.3 111 366.3 998 124.5 34.03.3 134 442.2 1197 179.1 40.53.3 156 514.8 1397 244.0 47.43.3 158 521.4 1417 251.0 48.13.3 3.3
- -
- -
- -
- -
- -
5 16.5 2.3 200 4.6 27.98 26.4 3.7 335 12.4 47.010 33.0 4.5 393 17.7 53.613 42.9 5.1 486 24.8 57.817 56.1 6.3 594 37.4 66.722 72.6 7.4 688 50.9 70.129 95.7 8.8 824 72.5 75.839 128.7 10.3 973 100.2 77.955 181.5 12.7 1179 149.7 82.574 244.2 15.0 1370 205.5 84.2107 353.1 18.3 1664 304.5 86.2144 475.2 21.2 1932 409.6 86.2
POUT (mW)
图表 20. TPA731和TPA2001D1的效率图表（ηvs Pout）
9.2 耗散功率 vs 负载功率
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音频功放测试指南 效率测试提供了计算功放的耗散功率PD的相关数据. PD 可通过表3中的输入功率和输出功率（Pout）继而通过(19)式计算得到. 此处假设D类音频功放测试中的RC（Ps）
滤波器的耗散功率可以忽略. PD = PS − POUT (19)
图21是AB类音频功放TPA731及免滤波D类音频功放TPA2001D1的PD vs POUT, 由效率测试相关数据通过19式计算得到. 相关数据是一直测试最大功率，即刚好发生削顶位置的，其可通过THD vs Power 图表辨别. 设计者可以选择可接受的失真百分比（削顶水平），然后在该功率下测试需要的数据。
图表 21. 耗散功率 vs 输出功率
9.3 Crest Factor and Output Power
振幅因数（峰值率）CF（The crest factor）是峰值输出与平均输出的比值. 它以输出功率的（比值）形式，用dB值在图表中表示. 比如，正弦波的CF是3 dB. 正弦波经常被用来描述音频功放的性能, 但其无法明确表达使用音乐信号的相关性能. 音乐的CF通常在6 dB和24 dB之间. CF参数能直接反映器件的热耗散量. CF越大, 热耗散越少，环境工作温度越高. 9.2节中的PD参数可决定器件的CF.
(20)式可用来计算CF. 因为测试中都是使用的正弦波，而正弦波的CF是3 dB, 而平均输出功率(POUT(ave) )也是已知的. 峰值输出功率(POUT(pk) ) 利用(20)转换得到的(21)式计算得到, 其中POUT(pk) 和POUT(ave) 的单位是瓦特，而CF的单位是dB.
比如TPA731的峰值输出功率是500 mW. 这是通过250 mW的POUT(ave) 和3 dB的CF计算得到的. 在计算中，峰值功率始终不变，因为这是可能的最大输出功率，其不受输出波形的影响. 而CF从3 dB增加到18 dB，相应的POUT(ave)也在每个CF下计算出来. 同时在相应的POUT(ave) 下器件的PD通过效率测试得到.（相关数据如表5）
相关效率数据和CF的计算可以帮助设计者估计电源必须足以提供多少大的功率. 表4是AB类音频功放TPA731和D类音频功放TPA2001D1在不同CF下的电源功率、负载功率、耗散功率的情况. 表中数据是相关测试数据通过(19) 到(21)式的计算得到的.
图22 的PS 和 POUT vs CF的图表，其中数据来自表5. 通过图表的简单对比可以发现，相比AB类音频功放，D类音频功放在较小的电源功耗下提供了更大的POUT. PS和POUT
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音频功放测试指南 的差即为耗散功率PD.
表格 5. Power vs Crest Factor
POUT (mWave)
Crest Factor (dB)
Ps (mWave)
Pd (mWave)
POUT (mWave)
Crest Factor (dB)
Ps (mWave)
Pd (mWave)
251 3 521 270 410 3 475 66 125 6 366 242 206 6 244 39 63 9 261 198 100 9 129 28 31 12 185 154 51 12 73 22 16 15 132 116 25 15 43 18 8 18 92 85 12 18 14 148
图表 22. TPA731和TPA2001D1的Supply and Output Power vs CF
10 测试缺陷
此部分主要提供一些信息防止在测试音频功放器件时可能产生的一些普遍错误、漏
洞. 虽然此部分不可能囊括全部可能性，但本文作者还是希望能提供一些见解，以节省（测试者）花费在对系统故障分析上的时间和精力.
10.1 不适当的接口连接和接地的影响
音频功放测试最关注的是对音频功放建立一个良好的连接. 良好的连接使得地电流的路径是一个低阻抗的回路，这样能够减小通过地环路引入系统的噪声. 接地是其中的关键部分音频功放的输入. 图23是D类音频功放TPA2001D2（差分输入BTL输出）与信号发生器不同连接方式时，测试THD+N的不同结果.
平衡的信号发生器接入差分输入的音频功放, 其接地或者悬空，THD+N的最大偏差在0.02%, 此偏差是可忽略的. 平衡的信号发生器提供最小失真的信号） 这与不平衡且悬空的信号发生器相似，只要其正端和负端接至音频功放相应的引脚. 当负端接至音频功放地，其测试结果在较低功率时有0.2%的降级, 在大功率时有0.01%的降级. 如果信号发生器负端接信号发生器的地, 在功率谱上的THD+N表现将有超过0.2%的减少. 因此必须使用平衡方式以去除共模噪声及减小地电流的偏移，从而得到更精确的测量结果.
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音频功放测试指南 图表 23 . 信号发生器与音频功放接口对THD+N vs Power测试的影响
将电源或者其他设备的地连接至机箱地以去除从信号路径引入的50Hz交流电噪声——嗡嗡声. 其连接应非常小心以免形成地环路而加重失真. 参考4和参考6对于接地和地环路有更多的介绍. 总结音频功放相关连接：:
对于差分输入音频功放，使用平衡方式的信号源，对于单端输入音频功放，使用不
平衡方式的信号源.
将电源地连接至机箱以去除50Hz交流电噪声.
在免滤波D类音频功放测试中使用的RC滤波器，其地应始终接至音频功放的地，以
提供最短的回流路径，减小地回路面积. 滤波器件的连线应尽可能短.
电源至音频功放，音频功放至负载的线缆需有足够的尺寸以防止其限制电流. 测试中未使用的输入都AC耦合至地.
测试前确保信号源已稳定，所有测试设备已校准.
10.2 THD+N 测试
分析仪软件中必须正确设置负载阻抗，以得到正确的功率.
如果在低功率时出现有较大的失真, 检查地的连接、信号发生器输出配置、输入和
Bypass电容使用是否正确.
10.3 噪声测试
• 测试时将带宽限制到音频带宽，因为噪声值集成定义在指定的频率范围.
10.4 增益和相位测试
输出电压以输入电压为参考.
当相位移超过180°时（这往往是分析仪的特性），将相位减去180°.
调节分析仪的带通滤波器在小于10 Hz 和大于30 kHz 之间，以避免其在音频带宽
内产生相位移.
10.5 串扰测试
每个通道的输出线缆需使用双绞线，以减小地环路. 相反的输出连接得到正dB的串扰值.
不用的音频功放输入端需要AC耦合至地，悬空的输入会增大串扰.
10.6 电源抑制测试
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音频功放测试指南 测试中D类音频功放都需要去耦电容.所有其他电容都应去除.而AB类音频功放的测
试中，应去除所有去耦电容.
确保输出是与芯片电源端的电压比较. 在电源上的串联电阻必须小 (20 Ω) ，以保证芯片的输入电源电压 Bypass电容增加，kSVR减小.
10.7 效率测试
在芯片的电源端测试电源电压.
推荐1kΩ. 如果 免滤波D类音频功放测试中使用的RC滤波器，RFILT 的值应足够大，
小于1KΩ,必须考虑流经的电流.
11 参考
1 www.audioprecision.com, Audio Precision Website
2 Design Considerations for Class-D Audio Power Amplifiers (SLOA031) 3 Reducing and Eliminating the Class-D Output Filter (SLOA023)
4 Audio Measurement Handbook, Metzler, Bob, Audio Precision, 1993.
5 Introduction to Electroacoustics and Audio Amplifier Design, Leach, W. Marshall Jr., Kendall/Hunt Publishing, 1999
6 Noise Reduction Techniques in Electronic Systems; Ott, Henry W., Wiley Interscience, 1976
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