电子测量——音频功率放大器技术指标的意义与检测方法研究.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电子测量音频功率放大器技术指标的意义与检测方法研究.精品文档.音频功率放大器技术指标的意义与检测方法研究音频功率放大器技术指标的意义与检测方法研究摘要 本文介绍了音频功率放大器的重要技术指标和检测技术在功率放大器上的应用。关键词 音频功率放大器 技术指标 检测技术Abstract This article describes the major technical indicators of audio power amplifiers and application of electronic measurement technology

2、on the audio power amplifiers.Key word Audio power amplifier Electronic measurement technology一、 引言自从爱迪生在1877年发明留声机至今已有120多年了，由当年机械式录音/重播系统发展到现在的高科技数码系统，其中的进步可谓翻天覆地。不过在这120多年中的音响技术发展却是很不平均的，在发明留声机后的大约60至80年中，音响技术的发展是相当缓慢的不过也取得了一定的成果，例如录放音以电动方式取代了机械方式，开始采用多极真空管等等。使音响技术得以快速发展是在927年，美国贝尔实验室公布了划时代的负反馈（负

3、回输，NFB）技术，声频放大器从此开始步入了一个新纪元。所谓高保真（High Fidelity）放大器，其鼻祖应该是追溯至1947年发表的威廉逊放大器，当时Willianson先生在一篇设计Hi Fi放大器的文章中介绍了一种成功运用负回输技术，使失真降至0.5%的胆机线路，音色之靓在当时堪称前无古人，迅即风靡全世界，成为了Hi Fi史上一个重要的里程碑。在威廉逊放大器面世后4年，即1951年，美国Audio杂志又发表了一篇“超线性放大器”的文章。第二年6月，又发表了一篇将威廉逊放大器超线性放大器相结合的线路设计。由於超线性设计将非线性失真大幅度降低，许多人硌起仿效，再次形成了一个热潮。超线性设

4、计的影响时至今日21世纪仍然存在，可以说威廉逊放大器和超线性放大器标志著负回输技术在音响技术中的成熟。从那时候开始，放大器的设计和种类可谓百花争艳。技术的进步是前70年所望鹿莫及的。现在，音频功率放大器主要由前置级、音调级、功率放大级3部分组成。前置级要求输入阻抗高、输出阻抗小、频带宽、噪声小；音调级对输入信号主要起到提升、衰减作用；功率放大级是音频功率放大器的主要部分，它决定输出功率的大小，要求输出效率高，输出功率大的特点。对整机的要求是失真小、噪声低，有较好的扩音效果。二、音频放大器重要参数1、阻尼系数指放大器的额定负载(扬声器)阻抗与功率放大器实际阻抗的比值。 阻尼系数是放大器在信号消失

5、后控制扬声器锥体运动的能力。要求，PSRR值越大越好，音频放大器输出音质就越好。2、总谐波失真加噪声(TttD+N)总谐波失真(total harmonic distortion)是指一个模拟电路处理信号后，在一个特定频率范围内所引入的总谐波失真量。噪声(noise)是指通常不需要的信号。有时是由于热或者其它物理条件产生的在线路板上的其它电气行为(干扰)。从THD+N的定义中不难看出总谐波失真和噪声越小越好。3、信噪比(SNR)信噪比(Signal to noi se ratio)通常指一个模拟信号中有用信号和噪声之间的比值。4、增益(Ao)对音频功率放大器来说增益通常指放大器输出功率和输入功

6、率之间的比值。增益越大蜕明放大器的效率越高。5、最大输出功率(POCM)输出功率反映了一个音频功率放大器的负载能力，通常音频放大器厂家会提供产品的在一定工作电压和额定负载下的最大输出功率。6、白噪声所有用来测试音箱的谐振和灵敏度的。频率具有相同能量的随机噪声称为白噪声。 7、灵敏度对放大器来说，一般指达到额定输出功率或电压时输入端所加信号的电压大小； 音箱的灵敏度是指在经音箱输入端输入1W1KHZ信号时，在距音箱喇叭平面垂直中轴前方一米的地方所测试得的声压级。8、阻尼系数指放大器的额定负载(扬声器)阻抗与功率放大器实际阻抗的比值。 阻尼系数是放大器在信号消失后控制扬声器锥体运动的能力。三、音频

7、放大器重要参数测试方法（一）信噪比测量(S/N或SNR)信号测量一般采用的是指定输出电平的中频段正弦信号(通常为1kHz)，指定电平通常是指设备的最大标称或标准的工作电平。噪声测量必须指定测量带宽和加权滤波器。两个测量的比值就是设备的信噪比。如果测量仪器特性包括一个相对dB单位，其0dB基准可以设定成等于输入信号电平值，那么信噪比的测量就比较容易了。利用这一特性，功放信噪比测量就变成如下简单的步骤：1. 建立指定的输出参考电平并正确接好输入端；2. 操作测量仪器，使这一电平成为0dB的基准值；3. 取消信号源。虽然现在仪表指示的就是信噪比，但是表示成负值(比如，90dB的信噪比被表示为-90d

8、B)。（二）功放失真测量方法1. 总谐波失真(THD)THD(不要与THD+N，总谐波失真加噪声相混淆)通常是由一系列单独谐波幅度测量结果计算出来的，而不是一次测量得到的。THD是单独谐波幅度的平方求和开方之后得到的。THD技术指标一般要说明包含在计算中的最高次谐波的次数；比如，THD含盖到5次谐波。THD并不是经常进行的测量，因为它要求用一个相当不常用的分析仪来测量低于正常工作电平很多的某次谐波，并且要自动或手动计算出结果。应注意的是，许多早期的THD+N结构的分析仪在其面板上标注的是THD，并且许多人在使用的实际是THD+N技术时，认为是THD测量。2. 总谐波失真噪声(THD+N)目前最

9、常用的失真测量方法就是THD+N技术了。其中的主要功能块就是可调谐的陷波器。在工作时，该滤波器手动或自动调谐到正弦波的基波频率上，以便基波被很大衰减。所设计的滤波器实际在2次和高次谐波处没有插入损耗，所以谐波基本上无衰减地通过。宽带噪声，与AC电源有关的哼声和任何其他处在陷波器频率上下的干扰信号也可以无衰减地通过；这也就是+N(加噪声)部分的由来。THD+N技术是极为吸引人的，因为DUT输出中除了纯测量信号的任何成分都会使测量下降。低的THD+N测量结果不仅说明谐波失真低，而且也说明哼声，干扰信号，以及宽带白噪声也是比测量值低(或等于测量值)。所以THD+N比任何其他的失真测量技术更能说明问题

10、，它只用一个数据就能说明DUT是否存在大的问题3. 功放THD+N的测量步骤:1) 信号源输出一个标准1k 正弦波信号到功放。2) 音频分析仪选择THD+N功能,陷波器手动或自动调谐到正弦波的基波频率.3) 现在仪表指示的就是THD+N 值（三）功放分离度(串音)测量方法串音一般是利用分析仪调谐到发生器频率的带通滤波器进行选择性测量，以便能测量等于或低于宽带噪声电平的串音。这不仅是出于理论上的考虑原因；当信号的幅度处于宽带噪声电平之下10dB20dB，人耳能够区分出象正弦波这样的相干信号。A通道到B通道的串音与B通道到A通道的串音并不是完全一致的。两个方向上串音具有不同值通常是电路的布局和复杂

11、的寄生电容引起的。功放分离度(串音)测量步骤：1. 信号源A通道输出一个标准正弦波信号，并正确接好输入端；2. 设置分析仪为分离度测试功能；3. B通道仪表的数据即为A?B的串音。同理可测B-A的串音。（四）功放两通道比率(平衡度)测量方法功放平衡度测量步骤：1. AP音频分析器输出一个标准正弦波信号到功放中，并正确接好输入端；2. 操作测量仪器，设置仪器为通道比率测试功能；3. 读取测试结果。（五）功放频率响应测量方法一般测试频率响应时，是以1kHz时为参考电平(即为0dB),因此必须先设0dBr, 再进行曲线的扫描。功放频率响应(Frequence response)的测试步骤：1. 信号

12、源输出1K Hz标准正弦信号到功放中，并正确接好输入端；2. 设置分析仪为幅度测试功能，按要求选好滤波器，并将单位设置为dBr；3. 按键盘上的F4键，将当前电平设为参考电平；4. 设置扫描面板,设置扫描源为信号发生器频率.设置好开始与结束频率及扫描点数。单击扫描面板中的GO准备进行扫描；5.保存测量数据与曲线图。（六）功放互调失真测量方法由于干扰之间互相调制作用对有用信号引起的失真称为互调失真(Intermodulation Distortion)或互调干扰。所有互调失真的测量技术中使用的激励信号都不止单个简单的正弦信号。在专业音响、广播和消费类音响等领域，用两个正弦波作为激励信号来进行互调

13、失真的测量。任意两个频率分别为F1和F2的正弦信号作用于非线性器件时，会产生出原有的两个正弦波再加上无数个互调失真项，即无数个组合频率分量，如下式：mF1nF2其中m、n为任意正整数。任意特定的互调失真(IMD)项的阶数即m与n的和。下面列出一些互调失真项的阶数：F1-F2 2阶(偶次)F1+F2 2阶(偶次)2F1-F2 3阶(奇次)F1-2F2 3阶(奇次)2F1+F2 3阶(奇次)3F1-F2 4阶(偶次)3F1+2F2 5阶(奇次)等。这里奇次和偶次指的是m+n是奇数还是偶数。互调失真的测量方法实际上是对谐波电压分量的测量1. SMPTE/DIN互调失真在专业、广播及消费类音响领域，S

14、MPTE(Society of Motion Picture and Television Engineers)和DIN(Deutsches Institut fur Normung e.V.)方法是最普通的互调失真测量标准。SMPTE标准RP120-1983和DIN标准45403很相似。两者均规定用两个正弦波测试信号，一个是低频率高幅度信号，另一个是高频率信号但幅度是低频率信号的四分之一。SMPTE标准规定信号频率分别为60Hz和7kHz。而DIN标准规定了几种可选择的高、低频频率，250Hz和8kHz是其中最常用的一组频率。有时也要用到其它类似于SMPTE和DIN标准的信号，如70Hz和7

15、kHz信号。当上述的双音频测试信号作用于非线性器件时，在高音频周围就会产生边带分量群。高音频和第一对边带(二阶边带，F1F2)之间相差正好是低音频的频率值，第二对边带(三阶边带，F12F2)与高频之间相差正好是低音频频率值的两倍等等。互调失真定义为这些边带的调幅值与高频载波调幅值之比的百分值。2. 功放互调失真的测试步骤：a. 信号源输出IMD信号到功放中，并正确接好输入端；b. 操作测量仪器，设置仪器为IMD测试功能；c. 读取测试结果。四、分别对实验箱里两种功率放大器进行测试（1）连接电路（2）观察电压增益的变化 1、8两端开路，电压增益约为20倍。 1、8之间仅接一个大电容，则相当于交流

16、短路，电压增益约为200倍。1、8两端之间接入不同阻值的电阻，即可得到20 100之间的电压增益。注意：但接入电阻时必须与一个大电容串联。输入电压小于200mV实验电路：（3）检测输出功率1、8两端开路（电压增益约为20倍）。输入1KHz的交流信号，调到输出最大不失真状态，测量输出电压。（4）检测效率（5）输入电阻（6）观察负载电阻对输出电压的影响引脚6接直流电源V+，4接地。交流输入信号加在LM386的同相输入端，而反相输入端接地。输出端通过一个1000F的大电容接到负载电阻（扬声器），组成OTL准互补对称电路。1、8两端之间接入一个10F的电容，此时电压增益约为200倍。输出端接入电阻与电

17、容的串联回路，使负载接近于纯电阻。避免电路产生自激振荡或出现过电压。五、 实验箱里两种功率放大器实验结果分析（1）集成功率放大器f=1kHz ui=200mv uo=385mv RL=5.1k P=2.83*10-5 w 增益 Ui=20mv U0=385mv U0=Au=U0/Ui=19信噪比 Un=2mv U0=385mv S/N=20lgU0/UN=25.58频率响应 FH=103k FL=10Hz（2）功率放大器f=1kHz ui=25mv uo=3.09v RL=8 P=1.20*10-3 w增益 Ui=20mv U0=3.30 U0=Au=U0/Ui=165信噪比 Un=2mv U

18、0=3.09v S/N=20lgU0/UN=44.34频率响应 FH=110k FL=10Hz六、各测试方法的优缺点优点：实验的成本低，操作简单快捷。缺点：由于测试电路本身存在的误差和元件参数等，实验的准确性不够高。七、功率放大电路和集成电路的优缺点功率放大电路是一种能量转换电路，要求在失真许可的范围内，高效地为负载提供尽可能大的功率，功放管的工作电流、电压的变化范围很大，那么三极管常常是工作在大信号状态下或接近极限运用状态，有甲类、乙类、甲乙类等各种工作方式。为了提高效率，将放大电路做成推挽式电路，功放管的工作状态设置为甲乙类，以减小交越失真。常见的音频功放电路在连接形式上主要有双电源互补推

19、挽功率放大器OCL（无输出电容）、单电源互补推挽功率放大器OTL（无输出变压器）、平衡（桥式）无变压器功率放大器BTL等。由于功放管承受大电流、高电压，因此功放管的保护问题和散热问题必须重视。功率放大器可以由分立元件组成，也可由集成电路实现。 随着集成电路制造技术的发展，集成功率放大器的性能不断提高。当前，出现了许多用于中小型直流电机及步进电机驱动的性能优良的集成电路产品。而且，集成功放电路成熟，低频性能好，内部设计具有复合保护电路，可以增加其工作的可靠性，尤其集成厚膜器件参数稳定、反应灵敏，无须调整，信噪比较小，而且电路布局合理，外围电路简单，保护功能齐全，还可外加散热片解决散热问题。八、检

20、测技术在音频放大器应用中的作用生产力是社会发展的决定因素，一个国家的国力首先取决于它的生产能力，特别是它的制造能力，而测试技术是决定制造水平的因素之一。自古至今，衡量生产水平的两大指标一直是质量和效率。测试对于保证质量的重要性是不言而喻的，没有测试就无法评定产品质量的优劣，更无从保证产品的质量。何况现代生产都是通过测试，实现反馈，控制产品的质量。检测是指在各类生产、科研、试验及服务等各个领域为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量。对工业生产而言，采用各种先进的检测技术对生产全过程进行检查、监测，对确保安全生产，保证产品质量，提高产品合格率，降低能源和原材料消耗，提高企业的劳动生产率和经济效益是必不可少的。当然，在音频放大器应用生产中，为了保证生产过程能正常、高效、经济地运行，必须对生产过程的重要性能指标（如电压增益、信噪比、频率响应等）进行实时检测与优化控制。这样也从另一个侧面促进了技术的发展。参考文献：1、毛大平.浅谈功率放大器的基本技术指标.北京：国家广电总局电影技术质量检测所，2008.2、张永瑞.电子测量技术基础.西安：西安电子科技大学出版社，2009.3、邓斌.电子测量仪器.北京：国防工业出版社，2008.4、浦志卫. 音频功率集成电路及功率器件研究.杭州：浙江大学，2006.