音頻放大器的額定功率

　　1 引言

　　1.1 額定功率基準(zhǔn)和基本定義

　　關(guān)于音頻放大器額定功率的定義，目前已有多種標(biāo)準(zhǔn)。美國聯(lián)邦貿(mào)易委員會(FTC)針對家庭音頻放大器額定功率建立了公平合理的廣告國際慣例，詳情請參見FTC文檔63FR37233，16 CFR，Chapter 1，Part 432的描述。另一個標(biāo)準(zhǔn)為美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)制定的SE-101-A。在汽車音頻領(lǐng)域，一些制造商則采用消費電子協(xié)會的CEA-2006-A標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了如何對放大器功率以及信號失真進行測試。

　　如何區(qū)分額定功率參數(shù)定義的優(yōu)劣呢?對于一個好的額定功率參數(shù)來說，其所有規(guī)定參考點都應(yīng)該是可測量的。

　　歐姆定律表明了電壓、電流以及負載之間的關(guān)系，V=I×R，其中V為電壓；I為電流，單位為安培；R為負載電阻，單位為歐姆。

　　功率是單位時間內(nèi)所做的功，表達式為：

　　P=V×I=V2／R=I2×R。

　　對于音頻信號，其電壓采用Vrms(均方根)表示，計算功率時，通常采用1 000 Hz的基準(zhǔn)頻率，負載采用阻性負載，因此計算得到的功率為放大器所能承受的平均功率。

　　FFC的標(biāo)準(zhǔn)更加嚴格，要求放大器須采用頻率為1 000 Hz的正弦波作為輸入信號，先以1／8總額定輸出功率，預(yù)熱1小時(多輸出系統(tǒng)，所有通道都處于開啟狀態(tài))，然后在周圍環(huán)境空氣溫度不低于25℃、持續(xù)時間大于5分鐘的條件下，讓其工作在最大額定功率下，觀測輸入為20 Hz至20 000 Hz的音頻信號時兩通道的功率頻譜。

　　還有一些制造商則采用額定平均功率，但是在將原始輸入信號放大到一定值時，會產(chǎn)生削波，從而導(dǎo)致較高的失真率。THD+N為10%時，其額定平均功率要比THD+N為1％時大的多。TI公司PurePath Digital功率級器件數(shù)據(jù)資料中給出了未出現(xiàn)削波和出現(xiàn)削波兩種情況下測得的額定功率值。

　　1.2 額定功率參數(shù)的擴展

　　PMPO表示峰值音樂輸出功率或峰值瞬時性能輸出，這兩種名稱可以相互替換，含義也基本相同。PMPO沒有明確定義測量標(biāo)準(zhǔn)，PMPO額定功率測量無參考點，通常不能用于高保真音頻的性能測試。實際上，制造商提供的PMPO通常是理論上的數(shù)值。AB類音頻放大器的電源與數(shù)字音頻放大器的電源存在較大差別。對于AB類音頻功率放大器而言，由于模擬元件的物理特性，其PMPO要比數(shù)字音頻放大器的高的多。AB類音頻放大器啟動時，電源往往會產(chǎn)生瞬時高壓，從而導(dǎo)致較大的電源毛刺。通常所說的PMPO就是基于這一瞬時啟動電壓定義的。由于客戶總是期望音頻放大器兼具較高的額定功率和較低的價格，因此PMPO也成為一個非常好的賣點。

　　利用峰值電壓可計算出額定峰值功率。額定峰值功率有時指音樂功率。音樂功率是當(dāng)輸入動態(tài)范圍大的音樂信號時，音頻功率放大器對音樂信號的瞬間最大輸出功率。

　　如果音頻放大器的動態(tài)余量規(guī)定為3 dB，則放大器的峰值功率為平均功率的2倍。例如，如果放大器的額定平均功率為200 W，峰值功率為400 W。某些高端音頻放大器由于采用性能良好的電源，因此其動態(tài)余量較低，能對任意動態(tài)輸入音樂信號提供較高且?guī)缀跸嗟鹊妮敵龉β省?/p>

　　下面介紹兩種額定功率的定義，分別為峰值功率和瞬時峰值功率。為了促進某些放大器產(chǎn)品在特定市場或領(lǐng)域的推廣，要求額定功率大于標(biāo)準(zhǔn)均方根功率，這時可用峰值功率和瞬時峰值功率來表示PMPO。相對于更側(cè)重理論定義的PMPO，這兩種額定功率在實際硬件上都是可測量的。下面以TexasInstruments公司的3款功率級器件TAS5142、TAS5152和TAS5186為例來闡述用于攻略測量的測試設(shè)備連接、測試過程。

　　2 測試設(shè)備

　　采用的儀器如下：

　　Audio PrecisionTM的TwoTM-2322音頻測試系統(tǒng)(AP)；

　　實驗室電源- HP6024A、HPE3610A、HPE3616A以及Sorensen DLM 60-10；

　　示波器-Tektronix TDS784A；

　　電流探頭-Tektronix TCP202；

　　電壓探頭-Tektronix P6139A；

　　負載-額定功率為200 W的DALE各種阻值的電阻；

　　參考設(shè)計電路板-DAVREF635和DAVREF636。

　　測試設(shè)備連接框圖如圖1所示，并按以下步驟連接；

　　將電源連接至參考設(shè)計電路板；

　　將阻性負載連接至被測功率級器件的輸出端；

　　將電流探頭連接至被測功率級器件的輸出端；

　　將電壓探頭連接至被測功率級器件的輸出端；

　　將AP連接至被測功率級器件的輸出端。

　　3 功率測試

　　3.1 RMS功率

　　測試步驟如下：

　　1) 將PVDD電壓(MOSFET電壓)設(shè)置為各器件數(shù)據(jù)資料中所規(guī)定的工作電壓典型值。
  　2) 用AP產(chǎn)生一個0 dBFS的1 kHz連續(xù)正弦波。
　　3) 負載阻抗取各數(shù)據(jù)資料中規(guī)定的典型值。

　　4) 調(diào)制器增益設(shè)置為0 dB。

　　5) 用電流探頭捕獲輸出電流的波形。

　　6) 用電壓探頭捕獲輸出電壓的波形。

　　討論：

　　根據(jù)引言部分給出的功率公式可計算出平均功率：
　　

　　采用示波器捕獲的電壓或電流曲線中的參數(shù)(參見表1)，可以得出：
　　

　　其中，IPP為電流峰值，R為負載阻抗。

　　注意：上述公式適用于0 dB(正常)輸入，不適用于發(fā)生削波(THS+N為10％)時的情況。

　　在相同的測試條件下，計算結(jié)果與采用AP捕獲的功率測量值相關(guān)。在給定的負載阻抗下，AP利用高精度儀表可以捕獲Vrms值，然后用AP Win-dowsTM軟件將處理而得的功率值繪制成圖形。

　　Texas Instruments還提供具有數(shù)字增益控制功能的RMS功率測量方式，使THD+N≤10％。利用TI公司的TAS5508或TAS5086型調(diào)制器，可以實現(xiàn)數(shù)字增益。THD+N為10％時的平均功率要高于正常FTC的THD+N<1％時的額定功率。表2列出了THD+N為10％時的平均功率。

　　3.2 峰值功率

　　測試步驟如下：

　　1) 將PVDD電壓(MOSFET電壓)設(shè)置為各器件數(shù)據(jù)資料中所規(guī)定的工作電壓典型值。

　　2) 用AP產(chǎn)生一個0 dBFS的連續(xù)1 kHz正弦波。

　　3) 負載阻抗取各器件數(shù)據(jù)資料中規(guī)定的典型值。

　　4) 調(diào)制器增益設(shè)置為0 dB。

　　5) 用電流探頭捕獲輸出電流的波形。

　　6) 用電壓探頭捕獲輸出電壓的波形。

　　測量負載阻抗上的最大電流或最大電壓，算出峰值功率。根據(jù)功率計算公式，又可推導(dǎo)出以下的峰值功率計算公式：
　　

　　采用示波器捕獲的電壓或電流曲線中的參數(shù)(參見表3)：
　　

　　其中，IPP為峰峰電流，R為負載電阻。需要說明的是TI在數(shù)據(jù)資料中未公布PurePath Digital功率級器件的峰值功率。

　　3.3 瞬時峰值功率

　　測試步驟：

　　1) 將PVDD電壓(MOSFET電壓)設(shè)置為各器件數(shù)據(jù)資料中所規(guī)定的工作電壓典型值，例如：TAS5142=34 V；TAS5152=37 V；TAS5186=39 V。

　　2) 用AP產(chǎn)生0 dBFS的1 kHz正弦波。

　　3) 阻性負載取不同的阻值，并按照以下步驟確定器件關(guān)斷之前的最低負載值。

　　4) 在器件自身不發(fā)生關(guān)斷之前，把器件的數(shù)字增益設(shè)置到最大，該步驟與上一步驟一起執(zhí)行。調(diào)節(jié)增益直到示波器捕獲一個完整的正弦波。

　　5) 用電流探頭捕獲電阻上的峰峰值電流波形。

　　6) 用電壓探頭捕獲峰峰值電壓波形。

　　同樣在TI的數(shù)據(jù)資料中也沒有給出PurePathDigital功率級器件的瞬時峰值功率?？梢钥闯觯矔r峰值功率無任何標(biāo)準(zhǔn)。瞬時峰值功率主要取決于系統(tǒng)和測試裝置架構(gòu)。

　　4 結(jié)束語

　　Texas Instruments(TI)的PurePath Digital音頻器件性能卓越。TI一直為提高產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和集成度而努力，其中包括為用戶提供全面的支持文檔如數(shù)據(jù)資料、應(yīng)用筆記等等。在測試TI功率級器件時采用正確的工程技術(shù)，可以獲得精確的測量結(jié)果。資料中提供的音頻性能是通過AP測試設(shè)備采集的。所獲得的性能參數(shù)(包括額定功率)都是可通過TI評估板追溯和再次驗證的。所有功率級器件數(shù)據(jù)資料中的額定功率都指的是能連續(xù)提供的平均功率。

　　FTC規(guī)定了美國市場產(chǎn)品的額定功率，其他國家不受此要求限制。因此，TI客戶可以為其產(chǎn)品自由選擇顧客接受的額定功率。