音频功放器件测试讲解
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音频功率运放测试讲解
Rev1.0
摘要：
本文主要介绍音频功率运放的种类，特性，及测试方法。以介绍CLASS-AB,CLASS-D类为主。
CLASS-AB,CLASS-D,THD
1. 音频功率运放介绍
音频运放顾名思义用来放大音频信号，其特点是用高转换速率来维持信号的低失真，拥有20Hz到20KHz平坦的频率响应和足够大的输出电流。
近年来，随着消费类电子以及通讯娱乐产品市场的兴起，应用于手机、MP3、MP4等便携式多媒体设备以及电视、家庭音响、汽车音响等设备的音频功率放大器技术得到了长足发展，预期未来还会有更广阔的市场空间。
音频运放根据工作方式分为CLASS-A，B，AB，D
类型 CLASS-A CLASS-B CLASS-AB CLASS-D
效率 20-30% 35-45% 35-45% 70-75%
工作方式 线性放大 线性放大 线性放大 PWM调制
消耗功率 始终工作在放大区，静态消耗大 利用两个对管，分别输出正，负半周，静态消耗小 与输入信号大小有关，静态消耗小 只与器件自身特性有关，静态消耗小
失真 无失真 交越失真，失真较大 一定谐波失真，但失真小 一定谐波失真，但失真小
应用领域 高品质音响 基本被替代 手机，mp3等消费类音频产品领域 手机，mp3等消费类音频产品领域
G类音频运放在D类的基础上加入了静音，音量控制等功能。
目前常见的音频运放封装形式是CSP，MSOP，TSSOP，趋势是向小型化发展。
2. 总谐波失真与信噪比说明
图
图为使用excel打开文件，并且选择制图工具后进行处理后的波形图，结合上图附带对THD进行一下说明。
THD：定义为总谐波失真，测量信号的失真成分，指信号的等效谐波，用信号振幅的百分比表示。将1kHz信号作用到输入端，THD是在2kHz、3kHz、4kHz等整数频点的输出与1kHz频点输出能量的比。
通过以上的定义，可以得出计算公式如下：THD=1020210lg20PPnn
3. CLASS-AB类音频运放介绍
如图，是一个基本的CALSS-AB类音频运放，通过两个反相电路，在输出端得到2倍于输入信号的输出信号。在无信号时也有少量电流流出器件，因此失调电压VOS越小越好，其实际效率也只能做到35%~45%。
图
VDD端是电源电压，在无输入信号时，输出是VDD/2的直流偏置电平，如图。
图 当IN-端输入如图所示交流信号，VO1，VO2则输出具有相同Vpp，直流偏置VDD/2，相位差180度的交流信号，如图。
图
图
接触不好、输入信号峰值大于VDD/2或负载太大都有可能造成输出波形失真，图是比较严重的失真波形。
图 削顶失真
当器件输出频率为1KHz波形正常（如图），频域波形如图，谐波较小。图可见，在1KHz频点有一个主功率值P10≈1，谐波功率PHarmonic和噪声功率Pnoise最高不超过0.001，于是可以推出THD≈20lg(0.001/1)=-60db。 图
图
当输出波形有轻度失真时（如图），则频域波形如图，谐波较大。
图可见，在1KHz频点有一个主功率值P10≈1，谐波功率PHarmonic中P20,、P30、P130这三个谐波功率点功率值接近P10，说明该波形在2KHz，3KHz，13KHz频点上都有很大的噪声，导致了波形的失真。
时域图00.20.40.60.8012345678910时间(mS)电压(V)
图
频域图0.0000010.000010.00010.0010.010.1101020304050607080901001101201301401501601701801900.1KHz
图 4. CLASS-D类音频运放介绍
D类功率放大的工作原理有点类似开关稳压电源，它通过PWM（脉宽调制）的方式来获得功率转换。
图所示电路可以单端或差分输入，通过PWM部分，将输入的音频信号调制到脉冲波型中。然后通过D类功放（脉冲控制的大电流开关放大器）把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号。能够输出的最大功率由负载、电源电压和器件允许流过的电流来决定。H-桥式电路是将信号调整为相位相差180度的差分输出。最后用一个低通滤波器恢复出功率增强了的音频信号。
图
VDD端接+5V电源电压，在无输入信号时，输出幅值等于VDD的方波，如图。
图
当输出端波形经过一阶RC或LC滤波器(滤波器截止频率一般在40KHz左右)后，变成VDD/2的直流偏置电压，如图。
图
图 IN-端输入交流信号如图，输出PWM方波，经过滤波器滤波后，VO1，VO2则输出具有相同Vpp，直流偏置VDD/2，相位差180度的交流信号，如图。
图
CLASS-D类的器件在测试输出信号时，也是将输出信号通过滤波器还原成正弦信号进行分析,与CLASS-AB分析类似。接触不好、输入信号峰值大于VDD/2或负载太大都有可能造成输出波形失真，失真波形与CLASS-AB类似。
5. CLASS-AB，D类测试参数说明及对比
直流参数
Isd：静态电流测试
Icc：静态工作电流测试
Vbp：BYPASS端静态工作电压（CLASS-AB）
Vos：静态输出电压差
Freq:输出频率（CLASS-D）
注：
对于CLASS-AB,BYPASS和VO＋，VO－端的直流工作电压一般都是1/2VDD．受BYPASS端电容影响，此类器件上电时间较慢，一般需要100mS．
只要接触正常，直流参数测试一般不会有什么问题．为了判断接触是否正常，建议测试所有管脚的开短路（测试管脚内部对地二极管）．
交流参数
VOp-p：输出电压峰峰值
Gain：增益
THD：总谐波失真度
Po：功率
注：
交流参数对接触的要求比直流参数要高．有时接触阻抗较大，对交流参数影响很大，直流参数却是正常的．
交流源自身必须干净，否则会将自身的失真带入测试结果中。
为节省测试时间，在处理THD数据时最好采用快速傅立叶变换。
6. 基于STS8107的CLASS-AB类器件测试
测试原理图及资源配置
测试电路图
图
资源配置表
资源板名称 CBIT128 DVI PVI ACSM
资源管脚对应表
资源 管脚
PVI0 VDD
DVI0 SD
DVI1 IN-
DVI2 BP
DVI3 IN+
ACS0 IN-
ACM0+ VO1
ACM0- VO2
测试项目和程序
Isd关断电流
测试条件
(1) K1，K2，K3 断开。
(2) Vsd=0V，Vdd=3.6V，测试VDD管脚电流ISD
程序说明：
该项目主要测试器件关断状态时的消耗电流，由于器件VDD端有挂载电容，为了使电容可以尽快充电稳定，建议先使用大电流量程档建立状态后，转换为小电流量程档进行测试，保证测试精度，缩短测试时间。具体程序见附件。
Icc
测试条件
VDD端加3.6V，同时SD端加3.6V，测试静态工作电流
程序说明
具体程序见附件。
Vos
测试条件
VDD端加3.6V，同时SD端加3.6V，测试输出端失调电压
程序说明
具体程序见附件。
Vbp
测试条件
VDD端加3.6V，同时SD端加3.6V，测试Bypass端电压
程序说明
具体程序见附件。
Gain,Po,THD
测试条件
VDD端加3.6V，同时SD端加3.6V，Vin端输入0.9765625KHz,1.5Vp-p正弦波。测试输出端电压有效值，计算增益和功率。测试输出端电压频谱信号，计算总谐波失真和信噪比。
程序说明
void test_AC()
{
cbit.SetOn(K2,K3,-1);
pvi0.Connect();
dvi0.Connect();
pvi0.SetModeFVMI(PVI_VRNG_5V,3.6,PVI_IRNG_1A,1,-1);
pvi0.Enable();
delay_ms(1);
dvi0.SetModeFVMI(DVI_VRNG_2V,1.4,DVI_IRNG_40MA,40e-3f,- 40e-3f);
dvi0.Enable();
delay_ms(1);
acsm0.ACSDutConnect();
status=acsm0.ACSConfig(ACS_SINE_WAVE,0.9765625,1.5,0,ACS_FILTER_OFF);
acsm0.EnableACS();
delay_ms(150); //器件建立输出等待时间
status=acsm0.ACMLMeaDutAC(ACM_LADC_VR_5V,ACM_DC_COUPLE,2048, adresult);
for(i=0;i<2;i++)
{
Gain->SetTestResult(i, 0, adresult[i]*2.828/1.5);
//增益计算公式Gain=Vout/Vin，ACM的交流电压测试值是有效值，乘以2.828转成峰峰值
Po->SetTestResult(i, 0, adresult[i]* adresult[i]/8);
//功率计算公式Po=Vout*Vout/Rload
}
status=acsm0.ACMLMeaDutTHD(ACM_LADC_VR_5V,ACM_DC_COUPLE,2048,20,TOTAL_HARM,adresult);
for(i=0;i<2;i++)
{
THD->SetTestResult(i, 0, adresult[i]);
}
acsm0.DisableACM();
acsm0.DisableACS();
