咔嗒聲是指驅動(dòng)變換器的放大器在打開(kāi)或關(guān)閉過(guò)程中，音頻瞬變信號在耳機或揚聲器中產(chǎn)生的雜音。直到目前為止，業(yè)界仍然從主觀(guān)上評價(jià)這種咔嗒聲。“較低的咔嗒聲”和“無(wú)咔嗒聲工作”等描述代表了對咔嗒聲定量分析的主觀(guān)判斷。為了消除衡量音頻放大器性能的主觀(guān)判斷因素，Maxim確定了描述咔嗒聲的客觀(guān)指標。本文闡述了這一指標KCP以及該參數的測試過(guò)程。
引言
便攜式音頻設備的特殊要求是產(chǎn)品設計的關(guān)鍵，產(chǎn)品A優(yōu)于其競爭產(chǎn)品B，而且使用更理想的原因是什么? 從性能上看，競爭產(chǎn)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(gè)產(chǎn)品性能更好。從用戶(hù)接口能夠評判產(chǎn)品的主要差異，但這在很大程度上取決于主觀(guān)評價(jià)。我們可以利用客觀(guān)的音頻性能指標對產(chǎn)品進(jìn)行比較，說(shuō)明一個(gè)產(chǎn)品明顯優(yōu)于其它產(chǎn)品的原因。
評估音頻性能的一個(gè)重要指標是設備在打開(kāi)或關(guān)斷時(shí)，耳機(或揚聲器)出現的“咔嗒”聲或其它奇怪的瞬態(tài)噪聲。隨著(zhù)人們對產(chǎn)品性能期望值的提高，無(wú)瞬態(tài)雜音成為人們選擇產(chǎn)品的一項重要指標，因而也是便攜式音頻設備的關(guān)鍵賣(mài)點(diǎn)。直到目前為止，業(yè)界仍然從主觀(guān)上評價(jià)這種咔嗒聲，“較低的咔嗒聲”和“無(wú)咔嗒聲工作”等描述代表了對咔嗒聲定量分析的主觀(guān)判斷。但是，用戶(hù)的期望值在變化，設計人員需要得到評判咔嗒聲的客觀(guān)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(chǎn)品中對產(chǎn)品進(jìn)行重復比較。
咔嗒聲的特征
咔嗒聲是指放大器驅動(dòng)轉換器打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)，在耳機或揚聲器中出現的音頻瞬態(tài)信號。在便攜式應用中，降低功耗是延長(cháng)電池使用時(shí)間的關(guān)鍵，當不需要某些功能模塊工作時(shí)，一般會(huì )禁用這些模塊。這種功能有可能會(huì )進(jìn)一步突出咔嗒聲這一不利因素。當器件打開(kāi)或關(guān)斷時(shí)，理想元件不應出現音頻輸出，而實(shí)際應用中，所有的音頻放大器都會(huì )產(chǎn)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(tīng)覺(jué)的敏感度，可以聽(tīng)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(wú)關(guān))定量對比產(chǎn)品的性能。
表1列出了有可能造成放大器信號瞬變的因素。
表1 造成放大器瞬變噪聲的因素
Maxim將音頻測試分為兩類(lèi)，以合理測量KCP測量。參考上面的表1，第1項(上電)和第2項(斷電)屬于A(yíng)類(lèi)。一般假設正常工作狀態(tài)下，帶有關(guān)斷(SHDN)功能的Maxim產(chǎn)品在上電時(shí)具有受關(guān)斷引腳(或寄存器位)控制的瞬變模式。A類(lèi)并不代表正常的使用，只是在測量那些軟件控制無(wú)法關(guān)斷器件時(shí)才相關(guān)。第3項和第4項(B類(lèi)測量)更貼近正常的使用情況。
圖1和圖2所示(在時(shí)域)為兩個(gè)不同的耳機放大器退出關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過(guò)程，將第一個(gè)交流耦合耳機放大器和第二個(gè)直流耦合耳機放大器進(jìn)行對比，交流耦合耳機放大器退出關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生較大的瞬變(圖1)，這種瞬變產(chǎn)生明顯的低頻聲音，原因是其較慢的開(kāi)啟過(guò)程。 (注意，時(shí)間標度是100ms/div。)
圖1. 數據顯示了一個(gè)性能良好的交流耦合耳機放大器退出關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的瞬態(tài)過(guò)程。其振幅較大，盡管這一瞬態(tài)過(guò)程將產(chǎn)生明顯的低音信號，但人耳對這種聲音并不敏感。
第二種瞬變過(guò)程，即直流耦合耳機放大器(圖2)，似乎淹沒(méi)在A(yíng)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(lái)自從關(guān)斷到完全工作時(shí)產(chǎn)生的直流失調電壓。由于失調只有幾個(gè)毫伏，沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(chǎn)生的咔嗒聲，獲得更客觀(guān)的測量結果。 (注意，沒(méi)有顯示濾波后的信號標度V/div。)
圖2. 數據顯示了低失調、直流耦合耳機放大器退出關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過(guò)程。與圖1A相比，幅度要低得多(因此，主觀(guān)上感覺(jué)噪音低得多)，放大器經(jīng)過(guò)150μs后完全開(kāi)啟。
分析這一問(wèn)題時(shí)，需要考慮兩個(gè)方面。首先，怎樣客觀(guān)地測量瞬?? 其次，如果需要，采用什么標準來(lái)衡量測試結果?
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(chǎng)商類(lèi)似測試設備。所推薦的指標KCP能夠客觀(guān)衡量音頻放大器的咔嗒聲。
圖3. 耳機放大器咔嗒聲測試裝置，注意，左右聲道輸入引??流耦合至地。輸出負載是典型的耳機阻抗，用方波發(fā)生器觸發(fā)關(guān)斷引腳。
開(kāi)始測量時(shí)，將待測設備(DUT)輸出連接到負載或模擬負載(假負載)。在DUT上加載所需的SHDN和電源，將所有DUT輸入交流耦合至地。不需要輸入信號；輸入激勵包括DUT在各種工作或停止工作模式之間切換的控制信號。連接DUT輸出至音頻分析儀的模擬分析部分。
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)。
圖4. A加權濾波器的頻率響應。頻率均衡接近耳朵的敏感范圍，因此該參數通常用于噪聲測量。注意，濾波器傳輸函數為單位增益(0dB) @ 1kHz，兩端頻率信號被衰減。
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(méi)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(dòng)調整電路，手動(dòng)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(cháng)4倍(12.04dB)。為實(shí)現精確測量，建議音頻放大器咔嗒聲測量的起始點(diǎn)采用1X/Y范圍。
采用低頻方波驅動(dòng)SHDN引腳，以便進(jìn)行重復測量。SHDN循環(huán)頻率低于音頻頻帶，周期應足夠長(cháng)，以確保能夠采集到所有的打開(kāi)和關(guān)斷事件(某些型號具有較長(cháng)的開(kāi)啟延遲)。Maxim通常選擇0.5Hz周期。
工作和關(guān)斷之間出現瞬變時(shí)，分析儀的直方圖選項能夠輕松監控DUT瞬變�？梢院苋菀椎卮_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(jìn)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(lèi)似器件的對比，產(chǎn)生可重復的客觀(guān)結果。測試設備最好能夠對任何大小的輸入保持線(xiàn)性響應。例如，測試1mV沖擊響應時(shí)的峰值讀數應比同樣脈沖寬度的100mV沖擊相應低40dB。 (參見(jiàn)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(jīng)驗表明高質(zhì)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(lái)說(shuō)要想進(jìn)行精確測量具有一定難度�？梢圆捎檬静ㄆ鳒y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(chǎn)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(gè)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(jīng)過(guò)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(shí)，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(jìn)行多次測量。測試立體聲或多通道產(chǎn)品的所有通道。
建立絕對電壓電平
應根據放大器的實(shí)際應用來(lái)規定咔嗒聲的絕對電壓電平。例如，假定一個(gè)設備關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生-50dBV的瞬變。如果DUT是一個(gè)50W/8的功率放大器，滿(mǎn)量程為+29dBV。這樣，該放大器可察覺(jué)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(mǎn)量程大約為-1.9dBV，將相對于峰值電壓比值較�。�-48.1dB。
設置指標電平
盡管我們已經(jīng)說(shuō)明了怎樣獲得咔嗒聲指標的客觀(guān)測量方法，但還存在一個(gè)問(wèn)題：精度如何?
考慮以下問(wèn)題，采用上述方法測量?jì)蓚�(gè)耳機放大器之后，您得到了可以重復的B類(lèi)咔嗒聲抑制結果，第一個(gè)放大器的KCP為-59dBV，第二個(gè)是-61dBV。第二個(gè)放大器的噪聲真的比第一個(gè)小很多嗎? 或者說(shuō)，這兩個(gè)結果都是可以接受的嗎? 測量結果是客觀(guān)的，但是對“可接受”的理解仍然是主觀(guān)的。
一個(gè)能夠接受、能夠檢測到的咔嗒聲抑制電平取決于多個(gè)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(huán)頻率以及收聽(tīng)時(shí)的背景噪聲電平等。
在很多應用中，盡管許多因素會(huì )影響可接受咔嗒聲電平的建立，我們還是可以規定一個(gè)可信的指標基準。注意，Maxim耳機放大器B類(lèi)咔嗒聲的測試結果(表2)，所有測試均采用一個(gè)32負載電阻，每一KCP值代表每個(gè)端口四次采樣的平均值。
表2. 耳機放大器的KCP值(A加權、32次/秒、峰值電壓、32負載)
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(guān)因素，建議其它半導體供應商采用這一方法，以及定義的KCP參數。
