在當今的電子設(shè)備領(lǐng)域，音頻放大器扮演著至關(guān)重要的角色。從立體聲電視機到多通道 AV 接收機，所有內(nèi)含音頻功率放大器的電子設(shè)備都有一個關(guān)鍵指標，即輸出功率，它代表著設(shè)備所能提供的最大音量，這對于消費者來說是一個重要的考量因素。而對于制造商而言，不僅要關(guān)注輸出功率，還需重視在最壞情況下能保證功能正常的熱穩(wěn)定性。不同公司在這方面的測試標準也存在差異。

最大輸出功率

最大輸出功率是指在給定時間內(nèi)，以及指定的頻率和總諧波失真（THD）范圍內(nèi)，放大器所能提供的總功率。例如，美國聯(lián)邦貿(mào)易委員會（FTC）規(guī)定的功率測試方法，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(yù)熱。之后，放大器必須能夠在規(guī)定的 THD 和頻率范圍內(nèi)，連續(xù) 5 分鐘提供規(guī)定功率。負載通常選用 4Ω 或 8Ω 的電阻器，具體取決于標稱的揚聲器阻抗。
然而，絕大多數(shù)電視機沒有外接揚聲器的端口，導(dǎo)致無法測試功放的輸出，也就沒有統(tǒng)一的功率測量標準。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)測試 10 分鐘。

熱穩(wěn)定性

熱穩(wěn)定性測試用于驗證整個設(shè)備的熱性能。測試時，將設(shè)備放置在規(guī)定的最高環(huán)境溫度（通常為 40℃）的測試間內(nèi)。隨著設(shè)備內(nèi)部溫度升高，放大器需要承受更高的環(huán)境溫度。測試使用設(shè)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。
該測試通常需要持續(xù)幾個小時。測量時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，如最高 PCB 溫度和結(jié)溫。要通過熱穩(wěn)定性測試，放大器和揚聲器都不能有任何損壞。此功能測試通過評估溫度特性來檢查潛在的損壞情況。

測試信號

熱穩(wěn)定測試旨在模擬最壞情況下的真實場景，這種場景可能導(dǎo)致 DVD 和電視廣播中的音頻拖尾。為了確保每次測試結(jié)果相同，工程師應(yīng)使用標準的測試信號。一旦最終條件確定，測試信號還應(yīng)能提供穩(wěn)定的溫度讀數(shù)。
正弦波能提供穩(wěn)定的讀數(shù)，但由于其幅度隨時間變化，無法模擬節(jié)目內(nèi)容，如音樂或語音。節(jié)目信號的幅度應(yīng)涵蓋全范圍，從靜音到過驅(qū)動（削波）。峰值因數(shù)（crest factor）可很好地描述節(jié)目信號的幅度失真，它是音樂或語音信號的峰值功率和平均功率的比值，單位為 dB。
在考慮放大器輸出信號的熱評估時，信號鏈上不僅要有音量和聲音控制以提供足夠大的增益，還要有固定電源來限制峰值輸出電壓。當調(diào)高音量時，峰值因數(shù)會發(fā)生變化，因為峰值被限制，而平均功率仍在升高，所以峰值因數(shù)會降低。最低的峰值因數(shù)取決于消費者所能接受的失真大小和設(shè)備的最大增益設(shè)置。在任何消費類應(yīng)用中，理想的最壞情況測試都是指峰值因數(shù)最低。
揚聲器制造商通常采用 IEC268 - 5 標準，該標準規(guī)定的測試信號為粉紅噪聲信號，即經(jīng)過 40Hz 的高通、5kHz 的低通濾波（濾波器為 2 階濾波器）后的各種頻率分布，用于還原音樂聲的長時間頻率分布（圖 1）。

圖 1：IEC268 - 5 噪聲譜密度
IEC268 - 5 所規(guī)定的測試信號的峰值因數(shù)為 6dB，這是最壞情況下的指標。使用該信號時，揚聲器所能處理的平均功率稱為 “連續(xù)功率”，而絕大多數(shù)制造商公布的是 “節(jié)目功率（program power）”，該功率比連續(xù)功率高 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。因此，揚聲器可以處理具有 9dB 峰值因數(shù)的削波信號。
峰值因數(shù)中涉及的峰值功率，指的是放大器提供的峰值功率。放大器的額定輸出功率用 3dB 的正弦波測量，所以揚聲器的長期功率處理能力為 6dB，小于放大器的額定功率。用于整個設(shè)備的最壞情況下的長期測試信號是 IEC268 噪聲，其 RMS 功率比峰值輸出功率低 9dB，比最大正弦波功率低 6dB，這是正弦波測試儀器的最大輸出功率。
在考慮放大器的熱設(shè)計時，沒有必要讓其處理比揚聲器規(guī)定值更大的功率。集成放大器通常有熱保護，最壞的情況是沒有聲音，放大器重新冷卻下來后會自動復(fù)位。由于揚聲器過載會導(dǎo)致永久性損壞，將放大器的熱限制設(shè)置到較低水平實際上是保護揚聲器的有效手段。

放大器的分類

電視機中常用的音頻放大器有 AB 類和 D 類兩種。下面分析這兩種類型的放大器在上述測試中的具體表現(xiàn)。
AB 類放大器是一種低成本的重負荷解決方案，但功耗較大，需要體積很大的散熱器。D 類放大器具有較高的效率，缺點是價格較高。不過，由于其需要的散熱措施少（散熱器小或無需散熱器）以及 IC 體積較小，在一定程度上彌補了價格上的不足。但系統(tǒng)仍需通過熱測試，因此測試策略會影響放大器的成本。
為了簡化比較，假定兩種放大器都采用 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(dǎo)通的阻抗），兩種類型的最大輸出電壓相同，因為這決定了最大輸出功率。另外假定采用橋接負載（BTL）輸出，即輸出電流流過兩個晶體管且 RDSON 加倍（圖 2）。

圖 2：BTL 放大器輸出級
不同類型的放大器功耗差別極大。從直流分析來看，輸出電壓為 Ua（則輸出功率 P = Ua2/RI）：

• AB 類：Dab = [(Ua / RI) * (VCC - Ua)] + IQ * VCC，產(chǎn)生的功率為輸出電流與輸出電阻器上的電壓降的乘積。
• D 類：Dd = (Ua / RI)2 * 2 * RDSON + IQ * VCC，產(chǎn)生的功率主要由阻性損耗構(gòu)成，即（輸出電流）2 * R。

兩種放大器都有一個常系數(shù)：IQ * VCC，其中 IQ 為靜態(tài)電流。AB 類放大器用該電流來減小交叉失真，而 D 類放大器中，該電流代表開關(guān)損耗。兩種放大器中該電流的幅度相同。
通過仿真可以進行進一步分析?？紤]常見的電視應(yīng)用，采用 12V 的電源、8Ω 的揚聲器，并使用以下參數(shù)數(shù)據(jù)：

• VCC = 12V
• RI = 8Ω
• RDSON = 0.3Ω
• IQ = 0.02A

首先要確定效率，由下面的方程來計算：

圖 3 展示了正弦波的效率，還給出了輸出信號的失真。該失真由削波引起，也可以說是由限定的電源引起。

圖 3：效率與輸出功率的關(guān)系