对音频放大器咔嗒声的定量分析

文章摘要：
Maxim对“咔嗒声”指标的客观描述和测试解决方案。

解决方案：
KCP测试解决方案

引言

便携式音频设备的特殊要求是产品设计的关键，产品A优于其竞争产品B，而且使用更理想的原因是什么? 从性能上看，竞争产品之间的频率响应平坦度和THD+N等指标相差不大，很难区分哪一个产品性能更好。从用户接口能够评判产品的主要差异，但这在很大程度上取决于主观评价。我们可以利用客观的音频性能指标对产品进行比较，说明一个产品明显优于其它产品的原因。

评估音频性能的一个重要指标是设备在打开或关断时，耳机(或扬声器)出现的“咔嗒”声或其它奇怪的瞬态噪声。随着人们对产品性能期望值的提高，无瞬态杂音成为人们选择产品的一项重要指标，因而也是便携式音频设备的关键卖点。直到目前为止，业界仍然从主观上评价这种咔嗒声，“较低的咔嗒声”和“无咔嗒声工作”等描述代表了对咔嗒声定量分析的主观判断。但是，用户的期望值在变化，设计人员需要得到评判咔嗒声的客观指标。

本文阐述了一种定量表示咔嗒声参数的方法，这种方法可以在不同产品中对产品进行重复比较。

咔嗒声的特征

咔嗒声是指放大器驱动转换器打开或关闭时，在耳机或扬声器中出现的音频瞬态信号。在便携式应用中，降低功耗是延长电池使用时间的关键，当不需要某些功能模块工作时，一般会禁用这些模块。这种功能有可能会进一步突出咔嗒声这一不利因素。当器件打开或关断时，理想元件不应出现音频输出，而实际应用中，所有的音频放大器都会产生咔嗒声。根据所用转换器(扬声器或耳机)的灵敏度、转换器与人耳的距离、放大器处理瞬变信号的能力以及听觉的敏感度，可以听不到咔嗒声。尽管确定音频阈值涉及到许多因素，可以利用放大器输出指标(与音频传输函数无关)定量对比产品的性能。

表1列出了有可能造成放大器信号瞬变的因素。

表1. 造成放大器瞬变噪声的因素

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将音频测试分为两类，以合理测量KCP测量。参考上面的表1，第1项(上电)和第2项(断电)属于A类。一般假设正常工作状态下，带有关断(SHDN)功能的Maxim产品在上电时具有受关断引脚(或寄存器位)控制的瞬变模式。A类并不代表正常的使用，只是在测量那些软件控制无法关断器件时才相关。第3项和第4项(B类测量)更贴近正常的使用情况。

图1和图2所示(在时域)为两个不同的耳机放大器退出关断状态的瞬态过程，将第一个交流耦合耳机放大器和第二个直流耦合耳机放大器进行对比，交流耦合耳机放大器退出关断时产生较大的瞬变(图1)，这种瞬变产生明显的低频声音，原因是其较慢的开启过程。 (注意，时间标度是100ms/div。)
 

图1. 数据显示了一个性能良好的交流耦合耳机放大器退出关断状态时的瞬态过程。其振幅较大，尽管这一瞬态过程将产生明显的低音信号，但人耳对这种声音并不敏感。

第二种瞬变过程，即直流耦合耳机放大器(图2)，似乎淹没在A加权滤波之前示波器的噪声底中。对于这种放大器，大部分音频来自从关断到完全工作时产生的直流失调电压。由于失调只有几个毫伏，没有经过滤波的信号不能精确决定咔嗒声的大小。采用A加权滤波后，从噪声基底中提取出直流耦合耳机放大器失调产生的咔嗒声，获得更客观的测量结果。 (注意，没有显示滤波后的信号标度V/div。)
 

图2. 数据显示了低失调、直流耦合耳机放大器退出关断状态的瞬态过程。与图1A相比，幅度要低得多(因此，主观上感觉噪音低得多)，放大器经过150µs后完全开启。

分析这一问题时，需要考虑两个方面。首先，怎样客观地测量瞬变? 其次，如果需要，采用什么标准来衡量测试结果?

咔嗒声测试方法

Maxim采用了Audio Precision的系统1和系统2 (推荐)音频分析仪测量咔嗒声(图3)，也可以采用其它厂商类似测试设备¹。所推荐的指标KCP能够客观衡量音频放大器的咔嗒声。

图3. 耳机放大器咔嗒声测试装置，注意，左右声道输入引脚交流耦合至地。输出负载是典型的耳机阻抗，用方波发生器触发关断引脚。

开始测量时，将待测设备(DUT)输出连接到负载或模拟负载(假负载)。在DUT上加载所需的SHDN和电源，将所有DUT输入交流耦合至地。不需要输入信号；输入激励包括DUT在各种工作或停止工作模式之间切换的控制信号。连接DUT输出至音频分析仪的模拟分析部分。

下一步，选择分析仪的A加权滤波(建议)或非加权22Hz至22kHz滤波器，将测量带宽限制在音频范围内。请注意，示波器的快速高电平瞬变并不表明有多少能量出现在音频频带内。人耳对扬声器或耳机瞬变信号的频率响应很有限。因此，增加A加权滤波(图4)更有利于分析，因为这样增强了人耳敏感的频率分量。某些音频分析仪不能选用A加权，这种情况下，应限制人耳频率响应的带宽。音频测试设备中常用的限制带宽是22Hz至22kHz，带宽限制滤波器大概能达到20kHz的平坦响应(通常为人耳的上限)。
图4. A加权滤波器的频率响应。频率均衡接近耳朵的敏感范围，因此该参数通常用于噪声测量。注意，滤波器传输函数为单位增益(0dB) @ 1kHz，两端频率信号被衰减。

设置检测器为峰值读数(而不是RMS值)，设置检测器采样为每秒32次。对于我们要采集的瞬变等信号，RMS检测没有作用。系统2分析仪支持更高的采样率，而每秒32次采样率能够从系统1音频分析仪获得同等的测量选项。 (每秒32次采样率是系统1模型中最快的采集设置。) 禁用音频分析仪的范围自动调整电路，手动选择能够精确跟踪预期的峰值信号幅度。系统1和系统2分析仪的范围为1倍至1024倍(0至60.21dB)，步长4倍(12.04dB)。为实现精确测量，建议音频放大器咔嗒声测量的起始点采用1X/Y范围。

采用低频方波驱动SHDN引脚，以便进行重复测量。SHDN循环频率低于音频频带，周期应足够长，以确保能够采集到所有的打开和关断事件(某些型号具有较长的开启延迟)。Maxim通常选择0.5Hz周期。

工作和关断之间出现瞬变时，分析仪的直方图选项能够轻松监控DUT瞬变。可以很容易地确定峰值电压，测量期间能够迅速复位直方图。峰值电压以dBV (相对于1V的dB值)进行记录。这一指标为KCP。

测试设备的重要性

上述测试方法能够支持类似器件的对比，产生可重复的客观结果。测试设备最好能够对任何大小的输入保持线性响应。例如，测试1mV冲击响应时的峰值读数应比同样脉冲宽度的100mV冲击相应低40dB。 (参见附录的测试瞬变校准)。

带有外部滤波的示波器完全可以用在这一咔嗒声测量方案中。但是，经验表明高质量耳机放大器的咔嗒声电平典型值在毫伏范围，这对于大部分示波器来说要想进行精确测量具有一定难度。可以采用示波器测试大功率放大器等电压较高的设备。

平均值重复测试

同一型号的不同器件可能产生不同的测试结果。因此，在判定某型号性能之前应测试多个器件以均衡这种差异。对于设计合理的直流耦合耳机放大器，大部分咔嗒声与输入失调电压成正比，除非经过均衡(或以别的方式消除)，不同器件的输入失调电压存在一定差异。全面测试某一型号时，为确保结果的一致性，应多次测量每一工作模式的瞬变。然后，计算平均值。如果器件即将投入使用，建议进行多次测量。测试立体声或多通道产品的所有通道。

建立绝对电压电平

应根据放大器的实际应用来规定咔嗒声的绝对电压电平。例如，假定一个设备关断时产生-50dBV的瞬变。如果DUT是一个50W/8Ω的功率放大器，满量程为+29dBV。这样，该放大器可察觉到的咔嗒声与最大峰值电压之比为：

-(+29 - (-50)) = -79dB

但是，如果DUT是20mW/16Ω的耳机放大器，满量程大约为-1.9dBV，将相对于峰值电压比值较小：-48.1dB。

设置指标电平

尽管我们已经说明了怎样获得咔嗒声指标的客观测量方法，但还存在一个问题：精度如何?

考虑以下问题，采用上述方法测量两个耳机放大器之后，您得到了可以重复的B类咔嗒声抑制结果，第一个放大器的KCP为-59dBV，第二个是-61dBV。第二个放大器的噪声真的比第一个小很多吗? 或者说，这两个结果都是可以接受的吗? 测量结果是客观的，但是对“可接受”的理解仍然是主观的。

一个能够接受、能够检测到的咔嗒声抑制电平取决于多个因素：待测耳机/扬声器的效率、人耳到转换器之间的典型距离、SHDN循环频率以及收听时的背景噪声电平等。

在很多应用中，尽管许多因素会影响可接受咔嗒声电平的建立，我们还是可以规定一个可信的指标基准。注意，Maxim耳机放大器B类咔嗒声的测试结果(表2)，所有测试均采用一个32Ω负载电阻，每一KCP值代表每个端口四次采样的平均值。

表2. 耳机放大器的KCP值(A加权、32次/秒、峰值电压、32Ω负载)

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, 15kΩ resistors, 220µF output capacitors
MAX4410	-69.9	-77.8	Unity gain, 10kΩ resistors
MAX4299	-59.1	-49.4	Category A (no SHDN)

以上数据是Maxim对KCP性能的测试结果。为最终消除放大器性能测试中的主观因素，Maxim建议其它半导体供应商采用这一方法，以及定义的KCP参数。关于该测试的详细信息，请访问以下链接

1. Maxim的音频产品信息
2. Maxim音频讨论组
3. 有关音频测试和测量标准请访问：Audio Precision世界网络。

类似文章发表于EDN2005年3月刊。

其它生产类似设备的厂商包括Rhode & Schwartz (音频分析仪)和Prism Sound (dScope)。

附录. 校准等效设备

本应用笔记中获得咔嗒声性能指标的客观测试方案使用了Audio Precision的系统1以及系统2音频分析仪。如果没有系统1或系统2分析仪，可采用以下方法。

KCP性能测量可以使用其它生产商提供的等效测试设备实现。图A显示了音频分析仪和DUT的一般测试设置。
 

图A. 其它厂商同等测试设备的咔嗒声测试装置

在记录测试结果、对结果进行直接对比之前，应对测试装置进行校准。此外，还需要验证等效分析仪记录的总能量，事实上，这一记录与输入幅度成线性关系。只有这样，才能准确记录咔嗒声的能量，特别是在音频频带出现快速上升瞬变时。简单校准需要一个函数发生器和一个同等的分析仪。 (参考图B示例。) 按以下步骤进行校准：

1. 在等效音频分析仪的输入加载一个幅度已知的0.5Hz方波。
2. 设置同等分析仪检测A加权后的峰值电压。
3. 记录各种输入信号幅度的峰值电压读数。

下面的表A显示了系统2 Audio Precision音频分析仪设置为A加权、32次/秒采样的校准结果。1X/Y自动范围设置为1mVP-P至40mVP-P的输入信号产生了6dB的加权因子。该6dB加权因子与Audio Precision分析仪的A加权受限传输函数有关。输入信号大于40mVP-P时，对于这一特殊设置，校准结果出现非线性。该范围适用于大部分放大器。

表A. Audio Precision系统2校准结果

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

这一校准措施可应用于同等分析仪，以确保精确的咔嗒声性能测量。此外，确定相同的校准值以及合适的输入信号范围后，可以采用同等音频分析仪准确对比两个放大器的咔嗒声性能指标。