- 探究對便攜式音頻設備的定量分析方法
- 研究便攜式音頻設備定量表示咔嗒聲的方法
- 采用同等音頻分析儀
- 對比兩個放大器的咔嗒聲性能指標
引言
便攜式音頻設備的特殊要求是產品設計的關鍵，產品A優于其競爭產品B，而且使用更理想的原因是什么? 從性能上看，競爭產品之間的頻率響應平坦度和THD+N等指標相差不大，很難區分哪一個產品性能更好。從用戶接口能夠評判產品的主要差異，但這在很大程度上取決于主觀評價。我們可以利用客觀的音頻性能指標對產品進行比較，說明一個產品明顯優于其它產品的原因。
評估音頻性能的一個重要指標是設備在打開或關斷時，耳機(或揚聲器)出現的“咔嗒”聲或其它奇怪的瞬態噪聲。隨著人們對產品性能期望值的提高，無瞬態雜音成為人們選擇產品的一項重要指標，因而也是便攜式音頻設備的關鍵賣點。直到目前為止，業界仍然從主觀上評價這種咔嗒聲，“較低的咔嗒聲”和“無咔嗒聲工作”等描述代表了對咔嗒聲定量分析的主觀判斷。但是，用戶的期望值在變化，設計人員需要得到評判咔嗒聲的客觀指標。
本文闡述了一種定量表示咔嗒聲參數的方法，這種方法可以在不同產品中對產品進行重復比較。
咔嗒聲的特征
咔嗒聲是指放大器驅動轉換器打開或關閉時，在耳機或揚聲器中出現的音頻瞬態信號。在便攜式應用中，降低功耗是延長電池使用時間的關鍵，當不需要某些功能模塊工作時，一般會禁用這些模塊。這種功能有可能會進一步突出咔嗒聲這一不利因素。當器件打開或關斷時，理想元件不應出現音頻輸出，而實際應用中，所有的音頻放大器都會產生咔嗒聲。根據所用轉換器(揚聲器或耳機)的靈敏度、轉換器與人耳的距離、放大器處理瞬變信號的能力以及聽覺的敏感度，可以聽不到咔嗒聲。盡管確定音頻閾值涉及到許多因素，可以利用放大器輸出指標(與音頻傳輸函數無關)定量對比產品的性能。
表1列出了有可能造成放大器信號瞬變的因素。
圖1和圖2所示(在時域)為兩個不同的耳機放大器退出關斷狀態的瞬態過程，將第一個交流耦合耳機放大器和第二個直流耦合耳機放大器進行對比，交流耦合耳機放大器退出關斷時產生較大的瞬變(圖1)，這種瞬變產生明顯的低頻聲音，原因是其較慢的開啟過程。 (注意，時間標度是100ms/div。)
第二種瞬變過程，即直流耦合耳機放大器(圖2)，似乎淹沒在A加權濾波之前示波器的噪聲底中。對于這種放大器，大部分音頻來自從關斷到完全工作時產生的直流失調電壓。由于失調只有幾個毫伏，沒有經過濾波的信號不能精確決定咔嗒聲的大小。采用A加權濾波后，從噪聲基底中提取出直流耦合耳機放大器失調產生的咔嗒聲，獲得更客觀的測量結果。 (注意，沒有顯示濾波后的信號標度V/div。)
咔嗒聲測試方法
Maxim采用了Audio Precision的系統1和系統2 (推薦)音頻分析儀測量咔嗒聲(圖3)，也可以采用其它廠商類似測試設備。所推薦的指標KCP能夠客觀衡量音頻放大器的咔嗒聲。
下一步，選擇分析儀的A加權濾波(建議)或非加權22Hz至22kHz濾波器，將測量帶寬限制在音頻范圍內。請注意，示波器的快速高電平瞬變并不表明有多少能量出現在音頻頻帶內。人耳對揚聲器或耳機瞬變信號的頻率響應很有限。因此，增加A加權濾波(圖4)更有利于分析，因為這樣增強了人耳敏感的頻率分量。某些音頻分析儀不能選用A加權，這種情況下，應限制人耳頻率響應的帶寬。音頻測試設備中常用的限制帶寬是22Hz至22kHz，帶寬限制濾波器大概能達到20kHz的平坦響應(通常為人耳的上限)。
設置檢測器為峰值讀數(而不是RMS值)，設置檢測器采樣為每秒32次。對于我們要采集的瞬變等信號，RMS檢測沒有作用。系統2分析儀支持更高的采樣率，而每秒32次采樣率能夠從系統1音頻分析儀獲得同等的測量選項。 (每秒32次采樣率是系統1模型中最快的采集設置。) 禁用音頻分析儀的范圍自動調整電路，手動選擇能夠精確跟蹤預期的峰值信號幅度。系統1和系統2分析儀的范圍為1倍至1024倍(0至60.21dB)，步長4倍(12.04dB)。為實現精確測量，建議音頻放大器咔嗒聲測量的起始點采用1X/Y范圍。
采用低頻方波驅動SHDN引腳，以便進行重復測量。SHDN循環頻率低于音頻頻帶，周期應足夠長，以確保能夠采集到所有的打開和關斷事件(某些型號具有較長的開啟延遲)。Maxim通常選擇0.5Hz周期。
工作和關斷之間出現瞬變時，分析儀的直方圖選項能夠輕松監控DUT瞬變。可以很容易地確定峰值電壓，測量期間能夠迅速復位直方圖。峰值電壓以dBV (相對于1V的dB值)進行記錄。這一指標為KCP。
測試設備的重要性
上述測試方法能夠支持類似器件的對比，產生可重復的客觀結果。測試設備最好能夠對任何大小的輸入保持線性響應。例如，測試1mV沖擊響應時的峰值讀數應比同樣脈沖寬度的100mV沖擊相應低40dB。 (參見附錄的測試瞬變校準)。
帶有外部濾波的示波器完全可以用在這一咔嗒聲測量方案中。但是，經驗表明高質量耳機放大器的咔嗒聲電平典型值在毫伏范圍，這對于大部分示波器來說要想進行精確測量具有一定難度。可以采用示波器測試大功率放大器等電壓較高的設備。
平均值重復測試
同一型號的不同器件可能產生不同的測試結果。因此，在判定某型號性能之前應測試多個器件以均衡這種差異。對于設計合理的直流耦合耳機放大器，大部分咔嗒聲與輸入失調電壓成正比，除非經過均衡(或以別的方式消除)，不同器件的輸入失調電壓存在一定差異。全面測試某一型號時，為確保結果的一致性，應多次測量每一工作模式的瞬變。然后，計算平均值。如果器件即將投入使用，建議進行多次測量。測試立體聲或多通道產品的所有通道。
建立絕對電壓電平
應根據放大器的實際應用來規定咔嗒聲的絕對電壓電平。例如，假定一個設備關斷時產生-50dBV的瞬變。如果DUT是一個50W/8的功率放大器，滿量程為+29dBV。這樣，該放大器可察覺到的咔嗒聲與最大峰值電壓之比為：
-(+29 - (-50)) = -79dB
但是，如果DUT是20mW/16的耳機放大器，滿量程大約為-1.9dBV，將相對于峰值電壓比值較小：-48.1dB。
設置指標電平
盡管我們已經說明了怎樣獲得咔嗒聲指標的客觀測量方法，但還存在一個問題：精度如何?
考慮以下問題，采用上述方法測量兩個耳機放大器之后，您得到了可以重復的B類咔嗒聲抑制結果，第一個放大器的KCP為-59dBV，第二個是-61dBV。第二個放大器的噪聲真的比第一個小很多嗎? 或者說，這兩個結果都是可以接受的嗎? 測量結果是客觀的，但是對“可接受”的理解仍然是主觀的。
一個能夠接受、能夠檢測到的咔嗒聲抑制電平取決于多個因素：待測耳機/揚聲器的效率、人耳到轉換器之間的典型距離、SHDN循環頻率以及收聽時的背景噪聲電平等。
在很多應用中，盡管許多因素會影響可接受咔嗒聲電平的建立，我們還是可以規定一個可信的指標基準。注意，Maxim耳機放大器B類咔嗒聲的測試結果(表2)，所有測試均采用一個32負載電阻，每一KCP值代表每個端口四次采樣的平均值。
以上數據是Maxim對KCP性能的測試結果。為最終消除放大器性能測試中的主觀因素，Maxim建議其它半導體供應商采用這一方法，以及定義的KCP參數。
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附錄 校準等效設備
本應用筆記中獲得咔嗒聲性能指標的客觀測試方案使用了Audio Precision的系統1以及系統2音頻分析儀。如果沒有系統1或系統2分析儀，可采用以下方法。
KCP性能測量可以使用其它生產商提供的等效測試設備實現。圖A顯示了音頻分析儀和DUT的一般測試設置。
