1 引言
1.1 額定功率基準(zhǔn)和基本定義
關(guān)于音頻放大器額定功率的定義，目前已有多種標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)聯(lián)邦貿(mào)易委員會(huì)(FTC)針對(duì)家庭音頻放大器額定功率建立了公平合理的廣告國(guó)際慣例，詳情請(qǐng)參見(jiàn)FTC文檔63FR37233，16 CFR，Chapter 1，Part 432的描述。另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制定的SE-101-A。在汽車(chē)音頻領(lǐng)域，一些制造商則采用消費(fèi)電子協(xié)會(huì)的CEA-2006-A標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了如何對(duì)放大器功率以及信號(hào)失真進(jìn)行測(cè)試。
如何區(qū)分額定功率參數(shù)定義的優(yōu)劣呢?對(duì)于一個(gè)好的額定功率參數(shù)來(lái)說(shuō)，其所有規(guī)定參考點(diǎn)都應(yīng)該是可測(cè)量的。
歐姆定律表明了電壓、電流以及負(fù)載之間的關(guān)系，V=I×R，其中V為電壓；I為電流，單位為安培；R為負(fù)載電阻，單位為歐姆。
功率是單位時(shí)間內(nèi)所做的功，表達(dá)式為：
P=V×I=V2／R=I2×R。
對(duì)于音頻信號(hào)，其電壓采用Vrms(均方根)表示，計(jì)算功率時(shí)，通常采用1 000 Hz的基準(zhǔn)頻率，負(fù)載采用阻性負(fù)載，因此計(jì)算得到的功率為放大器所能承受的平均功率。
FFC的標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，要求放大器須采用頻率為1 000 Hz的正弦波作為輸入信號(hào)，先以1／8總額定輸出功率，預(yù)熱1小時(shí)(多輸出系統(tǒng)，所有通道都處于開(kāi)啟狀態(tài))，然后在周?chē)h(huán)境空氣溫度不低于25℃、持續(xù)時(shí)間大于5分鐘的條件下，讓其工作在最大額定功率下，觀測(cè)輸入為20 Hz至20 000 Hz的音頻信號(hào)時(shí)兩通道的功率頻譜。
還有一些制造商則采用額定平均功率，但是在將原始輸入信號(hào)放大到一定值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生削波，從而導(dǎo)致較高的失真率。THD+N為10%時(shí)，其額定平均功率要比THD+N為1％時(shí)大的多。TI公司PurePath Digital功率級(jí)器件數(shù)據(jù)資料中給出了未出現(xiàn)削波和出現(xiàn)削波兩種情況下測(cè)得的額定功率值。
1.2 額定功率參數(shù)的擴(kuò)展
PMPO表示峰值音樂(lè)輸出功率或峰值瞬時(shí)性能輸出，這兩種名稱可以相互替換，含義也基本相同。PMPO沒(méi)有明確定義測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，PMPO額定功率測(cè)量無(wú)參考點(diǎn)，通常不能用于高保真音頻的性能測(cè)試。實(shí)際上，制造商提供的PMPO通常是理論上的數(shù)值。AB類(lèi)音頻放大器的電源與數(shù)字音頻放大器的電源存在較大差別。對(duì)于AB類(lèi)音頻功率放大器而言，由于模擬元件的物理特性，其PMPO要比數(shù)字音頻放大器的高的多。AB類(lèi)音頻放大器啟動(dòng)時(shí)，電源往往會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，從而導(dǎo)致較大的電源毛刺。通常所說(shuō)的PMPO就是基于這一瞬時(shí)啟動(dòng)電壓定義的。由于客戶總是期望音頻放大器兼具較高的額定功率和較低的價(jià)格，因此PMPO也成為一個(gè)非常好的賣(mài)點(diǎn)。
利用峰值電壓可計(jì)算出額定峰值功率。額定峰值功率有時(shí)指音樂(lè)功率。音樂(lè)功率是當(dāng)輸入動(dòng)態(tài)范圍大的音樂(lè)信號(hào)時(shí)，音頻功率放大器對(duì)音樂(lè)信號(hào)的瞬間最大輸出功率。
如果音頻放大器的動(dòng)態(tài)余量規(guī)定為3 dB，則放大器的峰值功率為平均功率的2倍。例如，如果放大器的額定平均功率為200 W，峰值功率為400 W。某些高端音頻放大器由于采用性能良好的電源，因此其動(dòng)態(tài)余量較低，能對(duì)任意動(dòng)態(tài)輸入音樂(lè)信號(hào)提供較高且?guī)缀跸嗟鹊妮敵龉β省?br />
下面介紹兩種額定功率的定義，分別為峰值功率和瞬時(shí)峰值功率。為了促進(jìn)某些放大器產(chǎn)品在特定市場(chǎng)或領(lǐng)域的推廣，要求額定功率大于標(biāo)準(zhǔn)均方根功率，這時(shí)可用峰值功率和瞬時(shí)峰值功率來(lái)表示PMPO。相對(duì)于更側(cè)重理論定義的PMPO，這兩種額定功率在實(shí)際硬件上都是可測(cè)量的。下面以TexasInstruments公司的3款功率級(jí)器件TAS5142、TAS5152和TAS5186為例來(lái)闡述用于攻略測(cè)量的測(cè)試設(shè)備連接、測(cè)試過(guò)程。
2 測(cè)試設(shè)備
采用的儀器如下：
Audio PrecisionTM的TwoTM-2322音頻測(cè)試系統(tǒng)(AP)；
實(shí)驗(yàn)室電源- HP6024A、HPE3610A、HPE3616A以及Sorensen DLM 60-10；
示波器-Tektronix TDS784A；
電流探頭-Tektronix TCP202；
電壓探頭-Tektronix P6139A；
負(fù)載-額定功率為200 W的DALE各種阻值的電阻；
參考設(shè)計(jì)電路板-DAVREF635和DAVREF636。
測(cè)試設(shè)備連接框圖如圖1所示，并按以下步驟連接；
將電源連接至參考設(shè)計(jì)電路板；
將阻性負(fù)載連接至被測(cè)功率級(jí)器件的輸出端；
將電流探頭連接至被測(cè)功率級(jí)器件的輸出端；
將電壓探頭連接至被測(cè)功率級(jí)器件的輸出端；
將AP連接至被測(cè)功率級(jí)器件的輸出端。
3 功率測(cè)試
3.1 RMS功率
測(cè)試步驟如下：
1) 將PVDD電壓(MOSFET電壓)設(shè)置為各器件數(shù)據(jù)資料中所規(guī)定的工作電壓典型值。
2) 用AP產(chǎn)生一個(gè)0 dBFS的1 kHz連續(xù)正弦波。
3) 負(fù)載阻抗取各數(shù)據(jù)資料中規(guī)定的典型值。
4) 調(diào)制器增益設(shè)置為0 dB。
5) 用電流探頭捕獲輸出電流的波形。
6) 用電壓探頭捕獲輸出電壓的波形。
討論：
根據(jù)引言部分給出的功率公式可計(jì)算出平均功率：
采用示波器捕獲的電壓或電流曲線中的參數(shù)(參見(jiàn)表1)，可以得出：
其中，IPP為電流峰值，R為負(fù)載阻抗。
注意：上述公式適用于0 dB(正常)輸入，不適用于發(fā)生削波(THS+N為10％)時(shí)的情況。
在相同的測(cè)試條件下，計(jì)算結(jié)果與采用AP捕獲的功率測(cè)量值相關(guān)。在給定的負(fù)載阻抗下，AP利用高精度儀表可以捕獲Vrms值，然后用AP Win-dowsTM軟件將處理而得的功率值繪制成圖形。
Texas Instruments還提供具有數(shù)字增益控制功能的RMS功率測(cè)量方式，使THD+N≤10％。利用TI公司的TAS5508或TAS5086型調(diào)制器，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字增益。THD+N為10％時(shí)的平均功率要高于正常FTC的THD+N<1％時(shí)的額定功率。表2列出了THD+N為10％時(shí)的平均功率。
3.2 峰值功率
測(cè)試步驟如下：
1) 將PVDD電壓(MOSFET電壓)設(shè)置為各器件數(shù)據(jù)資料中所規(guī)定的工作電壓典型值。
2) 用AP產(chǎn)生一個(gè)0 dBFS的連續(xù)1 kHz正弦波。
3) 負(fù)載阻抗取各器件數(shù)據(jù)資料中規(guī)定的典型值。
4) 調(diào)制器增益設(shè)置為0 dB。
5) 用電流探頭捕獲輸出電流的波形。
6) 用電壓探頭捕獲輸出電壓的波形。
測(cè)量負(fù)載阻抗上的最大電流或最大電壓，算出峰值功率。根據(jù)功率計(jì)算公式，又可推導(dǎo)出以下的峰值功率計(jì)算公式：
采用示波器捕獲的電壓或電流曲線中的參數(shù)(參見(jiàn)表3)：
其中，IPP為峰峰電流，R為負(fù)載電阻。需要說(shuō)明的是TI在數(shù)據(jù)資料中未公布PurePath Digital功率級(jí)器件的峰值功率。
3.3 瞬時(shí)峰值功率
測(cè)試步驟：
1) 將PVDD電壓(MOSFET電壓)設(shè)置為各器件數(shù)據(jù)資料中所規(guī)定的工作電壓典型值，例如：TAS5142=34 V；TAS5152=37 V；TAS5186=39 V。
2) 用AP產(chǎn)生0 dBFS的1 kHz正弦波。
3) 阻性負(fù)載取不同的阻值，并按照以下步驟確定器件關(guān)斷之前的最低負(fù)載值。
4) 在器件自身不發(fā)生關(guān)斷之前，把器件的數(shù)字增益設(shè)置到最大，該步驟與上一步驟一起執(zhí)行。調(diào)節(jié)增益直到示波器捕獲一個(gè)完整的正弦波。
5) 用電流探頭捕獲電阻上的峰峰值電流波形。
6) 用電壓探頭捕獲峰峰值電壓波形。
同樣在TI的數(shù)據(jù)資料中也沒(méi)有給出PurePathDigital功率級(jí)器件的瞬時(shí)峰值功率。可以看出，瞬時(shí)峰值功率無(wú)任何標(biāo)準(zhǔn)。瞬時(shí)峰值功率主要取決于系統(tǒng)和測(cè)試裝置架構(gòu)。
4 結(jié)束語(yǔ)
Texas Instruments(TI)的PurePath Digital音頻器件性能卓越。TI一直為提高產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和集成度而努力，其中包括為用戶提供全面的支持文檔如數(shù)據(jù)資料、應(yīng)用筆記等等。在測(cè)試TI功率級(jí)器件時(shí)采用正確的工程技術(shù)，可以獲得精確的測(cè)量結(jié)果。資料中提供的音頻性能是通過(guò)AP測(cè)試設(shè)備采集的。所獲得的性能參數(shù)(包括額定功率)都是可通過(guò)TI評(píng)估板追溯和再次驗(yàn)證的。所有功率級(jí)器件數(shù)據(jù)資料中的額定功率都指的是能連續(xù)提供的平均功率。
FTC規(guī)定了美國(guó)市場(chǎng)產(chǎn)品的額定功率，其他國(guó)家不受此要求限制。因此，TI客戶可以為其產(chǎn)品自由選擇顧客接受的額定功率。