在當今的電子設備領域,音頻放大器扮演著至關重要的角色。所有內含音頻功率放大器的電子設備,如立體聲電視機以及多通道 AV 接收機等,通常都有一個關鍵指標,即輸出功率,它代表著設備所能提供的音量,這對于消費者的使用體驗而言十分重要。而對于制造商來說,除了輸出功率,還要考慮在壞情況下都能保證功能正常的熱穩(wěn)定性。不同公司對于這方面的測試標準也存在差異。
輸出功率指的是在給定時間內,以及在指定的頻率和總諧波失真(THD)范圍內放大器所能提供的總功率。例如,美國聯(lián)邦貿易委員會(FTC)規(guī)定的功率測試方法中,要求用 1kHz 的正弦波、以規(guī)定輸出功率的 1/8 對放大器進行一個小時的預熱。之后,放大器必須能夠連續(xù) 5 分鐘提供規(guī)定功率,當然,這必須是在規(guī)定的 THD 和頻率范圍內。負載通常是一個 4Ω 或 8Ω 的電阻器,具體選用哪一個取決于標稱的揚聲器阻抗。然而,絕大多數的電視機都沒有外接揚聲器的端口,因此無法測試功放的輸出,也就沒有功率測量的標準。通常標定功率的測試方法是,采用 1kHz 的信號,以 10% 的 THD,至少連續(xù) 10 分鐘。
熱穩(wěn)定性測試用于驗證整個設備的熱性能。測試時,將設備放入一個規(guī)定的環(huán)境溫度(通常為 40℃)的測試間內。在設備內部溫度將會升高,這使得放大器要承受更高的環(huán)境溫度。使用設備本身的揚聲器作為負載,可以采用不同幅度及不同波形的測試信號進行測試。該測試需要持續(xù)幾個小時,測量使用紅外溫度計或熱電偶,并將測量值與安全標準中規(guī)定的指標進行比較,例如 PCB 溫度和結溫。要通過熱穩(wěn)定性測試,無論是放大器還是揚聲器都不能有任何損壞。該功能測試通過評估溫度特性來檢查潛在的損壞。
熱穩(wěn)定測試試圖模擬一個壞情況下的真實情況,這種情況將會導致 DVD 和電視廣播中的音頻拖尾。為了在每次測試中保證相同的測試結果,工程師應該使用標準的測試信號。正弦波能夠提供穩(wěn)定的讀數,但因為其幅度隨時間變化,因而無法模擬節(jié)目內容,如音樂或語音。節(jié)目信號的幅度應該是全范圍信號,從靜音到過驅動(削波)。可以用峰值因數來很好地描述節(jié)目信號的幅度失真,該因數是音樂或語音信號的峰值功率和平均功率的比值,單位用 dB 表示。
揚聲器制造商大多采用 IEC268 - 5 標準,其中規(guī)定的測試信號為粉紅噪聲信號,即濾波后(經過 40Hz 的高通,5kHz 的低通濾波,濾波器為 2 階濾波器)的各種頻率分布,來還原音樂聲的長時間頻率分布(如圖 1 所示)。IEC268 - 5 所規(guī)定的測試信號的峰值因數為 6dB,這是壞情況下的指標。使用該信號揚聲器所能處理的平均功率稱作為 “連續(xù)功率”,不過絕大多數制造商都公布了 “節(jié)目功率”,該功率比前者高 3dB,用一個間斷的信號(依次循環(huán)地通一分鐘,斷一分鐘)測試。故揚聲器可以處理具有 9dB 峰值因數的削波信號。

電視機中可以采用兩種音頻放大器,即 AB 類和 D 類。AB 類放大器是一個低成本的重負荷解決方案,但其功耗太大,并需要體積很大的散熱器。D 類放大器具有較高的效率,但缺點是價格太高。不過這一點因需要采取的散熱措施少(散熱器小,或者就無需散熱器)以及 IC 的體積較小所補償。不過,系統(tǒng)仍然需要通過熱測試,故測試策略決定放大器的成本。
為了簡化比較,假定兩種放大器的都是 FET,而不是雙極輸出晶體管。對于指定的電源電壓(VCC)、負載(RI)和 RDSON(輸出晶體管全導通的阻抗)來說,輸出電壓對于兩種類型是一樣的,因為這是的輸出功率。另外還假定一個橋接負載(BTL)輸出,即輸出電流流過兩個晶體管且 RDSON 加倍(如圖 2 所示)。

通過對音頻放大器輸出功率、熱穩(wěn)定性等方面的深入測試和分析,能夠更好地優(yōu)化音頻放大器的設計和應用,為用戶帶來更優(yōu)質的音頻體驗。