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原创 乔杰 BSWA声望技术 2019-06-03   简介 D类功放具有高效率、体积小、重量轻等优点，且失真在大多数使用情况是可以接受的，因而在声学应用场合被越来越多的使用。但是，D类功放的工作原理和传统功放完全不同，其快速变化的脉冲输出信号对测量设备和方法提出了新的挑战。本文旨在帮助读者了解D类功放的特点，以及如何对D类功放进行测量才能保证获得准确的性能参数。 1. 功率放大器分类 常见的功率放大器一般分为A类、B类、A/B类和D类，以区分它们不同的工作方式。 其中A类功放由单只晶体管组成放大器，由于一直工作在线性放大区，所以有相当一部分功率消耗在晶体管本身而导致效率低下，同时也要求晶体管具有足够的散热以将自生发热耗散掉。此外，输出的单极性也限制了A类功放的最大输出功率。A类功放的晶体管可以近似看做一个可变电阻，由于其输出电压完全由可变电阻（晶体管放大器）和负载（扬声器）分担，输出功率越小则工作效率越低。 B类功放部分改进了A类功放工作效率低的问题，并使用双电源供电扩展了最大输出功率。其由两个不同类型的晶体管组成对称结构，分别只在正半周期和负半周期工作，因此在保持和A类功放同样输出功率的前提下，其效率至少提高了一倍。但在两个晶体管工作切换的瞬间（信号过零点），由于晶体管必须达到足够的基极电流才能进入线性区工作，也就是存在微小的死区，因此将产生交越失真。 解决交越失真的方法非常简单，只要仔细调整晶体管的静态工作点（用电阻和二极管使晶体管基极电压避开死区），让晶体管在静态时处于微导通状态即可。因此改进的A/B类功放出现了，这也是迄今为止线性功放最为常用的一种类型，其效率和失真两个参数，虽不是最优秀的，但都比A类和B类功放两者中的较差者好很多，并接近较好者。比如声望PA50功放：  D类功放与上述的A类、B类和A/B类完全不同，它使用PWM调制的输出信号，功率放大器件不是工作在线性放大区而是一直工作在截止区和饱和区（也即完全打开和关闭两种状态），工作效率大大提高。还可以使用饱和压降更低的场效应管代替晶体管来进一步提高效率。同时工作在完全开闭状态使得D类功放的开关器件本身所消耗的功率很低，降低了对散热的要求。此外，D类功放可以使用单电源工作在桥接方式（BTL），进一步提高最大输出功率。如声望PA300功放就是D类功放：  正如凡事都有两面性，D类功放也有缺点，首先其失真随输出功率大小而变化，当输出功率较小时失真接近A/B类功放（<0.1%），但当输出功率接近上限时失真将会快速上升。相比来说A/B类功放在整个输出功率范围内失真不会显著变化。其次，D类功放输出的PWM信号恢复成原始音频信号需要LC低通滤波器（目前号称无滤波器设计的D类功放只是无需板上LC滤波器但仍然依赖扬声器构成低通滤波），且失真和效率非常依赖于低通滤波器的性能。最后一点，PWM信号有强烈的电磁辐射，当输出引线过长时，其对外干扰有可能很大甚至超过相关电磁辐射法规的限值（在这一点上无滤波器设计D类功放由于其差分输出信号静默值为零，因此相对传统D类功放来说具有较低的电磁辐射）。 此外，还有常用于射频功率放大的C类功放，和出现较晚的T类功放。其中T类功放的工作原理和D类非常相似，同样是工作在截止区和饱和区的开关类型放大器，但其效率、动态范围、频响和失真等方面有进一步提高。 2. 测量用低通滤波器 常用的音频测量分析仪一般采用AD转换器将模拟信号转换为数字信号后再进行处理，由于音频信号动态范围较大，所以常用的AD转换器需要至少达到24位分辨率。此外，AD转换总是受到采样率的限制，根据采样定理，采样率只有达到信号最高频率的2倍以上，才不至于发生混叠现象（一旦发生混叠，所采集信号的频率将会发生变化而迁移至较低频率）。而根据实际测量经验，采样率达到信号最高频率的2.4倍及以上，也即是超过48kHz才能较好的进行声学信号采样。目前，受限于高性能AD转换器的性能限制，24位音频分析仪的最高采样率一般仅能达到192kHz（虽然新出现了384kHz的转换器件，但在测量领域还不普及）。但对于D类功放的250kHz~750kHz的开关频率来说，仍然是无法满足采样定理的。 虽然还存在更高采样率的采集设备——比如示波器，和采用模拟检波器的仪器——比如高性能数字万用表，它们的采样率或检波方式可以满足D类功放输出信号的测量，但它们往往在分辨率、动态范围、本底噪声和检波方式上存在其它不适于音频信号测量的严重缺陷，导致测量结果并不准确。 因此，当前测量D类功放输出信号的唯一解决方案，就是将功放输出信号经过低通滤波转换为低于20kHz的原始音频信号之后，再使用音频分析仪进行采样处理。传统的D类功放输出自带LC低通滤波器，然而不同厂家和不同型号的功放所自带LC滤波器参差不齐，其截止频率或高或低，这都会影响最终测得的功放频率响应、输出功率和输出噪声等指标。此外，较新的D类功放大多已经转为无滤波器结构，它们依赖于外接扬声器的电感和阻抗来构成低通滤波，而在并不真正连接扬声器的测量状态，高频开关信号并不能被很好的滤除。 较理想的低通滤波应为无源LC滤波器结构，但电感值往往比较特殊且相当大而不易实现。也可以使用简单但性能略低的无源RC低通滤波器代替，下图为一种简易低通滤波器和其频率响应特性。  这种简易滤波器可以用于D类功放的一般性测试，但仍存在一定缺陷。由于其阶数较低，很难做到陡峭的衰减曲线，由其频率响应特性图可见250kHz衰减刚刚达到25dB，但在20kHz已经出现了2.5dB的衰减。虽然可以对滤波器进行一定修正用于功放的输出频响测量，且在功放测试常用的1kHz性能不错，但是对于与功放整个输出频带（20Hz~20kHz）相关的输出噪声和失真测量来说，使用这种滤波器将会产生一定的误差。 为进一步准确测量D类功放的性能指标，我们使用了AudioPrecision公司的AUX-0025来进行D类功放的输出测量。如下图所示为实测的AUX-0025频率响应特性。可见其在250kHz的衰减超过50dB，同时20kHz保持了很低衰减。这种专用LC低通滤波器可以很好满足D类功放的性能测试。  3. 测量用假负载 在功放的电性能测量过程中不能连接真实的扬声器，一方面是由于扬声器的阻抗随频率变化从而影响测量结果；另一方面则是扬声器会发出巨大的噪声——尤其是大功率测试时——导致无法在实验室环境中进行这样的测试。 根据测试所针对的扬声器类型，可以使用4Ω和8Ω假负载来模拟扬声器。假负载必须有尽可能低的电感以避免影响功放的输出性能，因此常见的绕线功率电阻并不合适，必须使用低感值厚膜功率电阻。同时应具有足够的散热措施来避免假负载在测试过程中过热甚至烧毁。  4. 噪声和THD+N测量 在进行输出噪声测量中，功放的输入端通常连接带屏蔽的600Ω负载（输入端开路或短路都无法得到准确的测量结果），同时功放的增益应调至最大处。因为输出噪声和负载电阻相关，因此必须测量不同负载情况下的输出噪声值。 除了上述的外置低通滤波器以外，噪声测量还要求使用AES17 20kHz低通滤波器。这两种滤波器的作用并不相同，并需要同时使用。外置低通滤波器主要用来过滤D类功放的开关噪声输入，而AES17 20kHz滤波器用于滤除音频分析仪内部的带外噪声（>20kHz）。AES17 20kHz滤波器为软件实现的数字滤波器，内置于Audio Precision或Prism Sound公司的音频分析仪中。 另外在可能的情况下，应使用一根尽量短的粗线连接被测功放和音频分析仪的地，此要求对于输出噪声测量来说尤为重要。 对于THD+N来说，由于其计算公式中包含失真（THD）和噪声（N）两部分，因此测量结果也与输出噪声息息相关，须同时遵循上述要求进行测量。 5.最大输出功率测量 功放的最大输出功率和最大输出电压及负载电阻有关，由于功率表征的是能量，因此应使用有效值电压计算，而非峰值电压。对不同的负载电阻其最大输出电压或最大输出功率都会发生变化，因此必须说明最大输出功率测量时所用的负载电阻。 需要特别说明的是，一般功放都具有一定的限幅或压缩保护电路，以防止功放的峰值输出电压过载。因此为测量功放的最大有效值输出电压，所使用的信号应具有尽可能小的波峰因数（峰值电压/有效值电压）。否则，功放的有效值输出电压还未达到最大，峰值输出电压就因过载而发生限幅失真或被压缩而降低输出电压了。这种情况多发生在使用白噪声或粉红噪声进行最大输出测量时，假设使用一个波峰因数为4（12dB）的白噪声信号，相比使用波峰因数为1.414（3dB）的正弦波信号，其测得的最大输出电压仅为35%，最大输出功率仅为12.5%。大多数白噪声或粉红噪声的波峰因数约为3~5（9.5dB~14dB）之间。 通常，我们使用频率为1kHz的正弦波信号进行最大输出功率测量，同时以THD+N≤1%作为输出功率的限制条件。 6. 输出频率响应 6.输出频率响应 功放的输出频率响应也随频率略有变化，通常使用1Wrms输出功率来测量输出频率响应，同时关闭AES1720kHz滤波器以避免影响临近20kHz的频率响应数据。 7.总结 本文针对D类功放测量阐述了需要特别注意的问题，这些问题所涉及的解决方案往往不同于普通功放。因此，只有使用正确的且不同于普通功放的测量方法，才能得到准确的D类功放性能指标。  北京声望声电技术有限公司 经过二十几年的努力，声望技术已发展成为国内声学测量的主要品牌，客户遍及航空、航天、汽车、电子、家电，高校研究所和环保等领域。在国际市场上，声望生产 的传声器已得到全球广泛的认同，主要的声级计厂家都会使用声望传声器。在占领OEM市场的同时，声望技术也在积极地推广自主品牌，在全球发展了28家经销 商，在世界各地都可以买到声望技术的产品。 |
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