在當(dāng)今的電子設(shè)備領(lǐng)域，音頻放大器扮演著至關(guān)重要的角色。從立體聲電視機(jī)到多通道 AV 接收機(jī)，所有內(nèi)含音頻功率放大器的電子設(shè)備都有一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，即輸出功率，它代表著設(shè)備所能提供的最大音量，這對(duì)于消費(fèi)者來說是一個(gè)重要的考量因素。而對(duì)于制造商而言，不僅要關(guān)注輸出功率，還需重視在最壞情況下能保證功能正常的熱穩(wěn)定性。不同公司在這方面的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也存在差異。

最大輸出功率

最大輸出功率是指在給定時(shí)間內(nèi)，以及指定的頻率和總諧波失真（THD）范圍內(nèi)，放大器所能提供的總功率。例如，美國(guó)聯(lián)邦貿(mào)易委員會(huì)（FTC）規(guī)定的功率測(cè)試方法，要求用 1kHz 的正弦波，以規(guī)定輸出功率的 1/8 對(duì)放大器進(jìn)行一個(gè)小時(shí)的預(yù)熱。之后，放大器必須能夠在規(guī)定的 THD 和頻率范圍內(nèi)，連續(xù) 5 分鐘提供規(guī)定功率。負(fù)載通常選用 4Ω 或 8Ω 的電阻器，具體取決于標(biāo)稱的揚(yáng)聲器阻抗。
然而，絕大多數(shù)電視機(jī)沒有外接揚(yáng)聲器的端口，導(dǎo)致無法測(cè)試功放的輸出，也就沒有統(tǒng)一的功率測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。通常標(biāo)定功率的測(cè)試方法是，采用 1kHz 的信號(hào)，以 10% 的 THD，至少連續(xù)測(cè)試 10 分鐘。

熱穩(wěn)定性

熱穩(wěn)定性測(cè)試用于驗(yàn)證整個(gè)設(shè)備的熱性能。測(cè)試時(shí)，將設(shè)備放置在規(guī)定的最高環(huán)境溫度（通常為 40℃）的測(cè)試間內(nèi)。隨著設(shè)備內(nèi)部溫度升高，放大器需要承受更高的環(huán)境溫度。測(cè)試使用設(shè)備本身的揚(yáng)聲器作為負(fù)載，可以采用不同幅度及不同波形的測(cè)試信號(hào)。
該測(cè)試通常需要持續(xù)幾個(gè)小時(shí)。測(cè)量時(shí)使用紅外溫度計(jì)或熱電偶，并將測(cè)量值與安全標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行比較，如最高 PCB 溫度和結(jié)溫。要通過熱穩(wěn)定性測(cè)試，放大器和揚(yáng)聲器都不能有任何損壞。此功能測(cè)試通過評(píng)估溫度特性來檢查潛在的損壞情況。

測(cè)試信號(hào)

熱穩(wěn)定測(cè)試旨在模擬最壞情況下的真實(shí)場(chǎng)景，這種場(chǎng)景可能導(dǎo)致 DVD 和電視廣播中的音頻拖尾。為了確保每次測(cè)試結(jié)果相同，工程師應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試信號(hào)。一旦最終條件確定，測(cè)試信號(hào)還應(yīng)能提供穩(wěn)定的溫度讀數(shù)。
正弦波能提供穩(wěn)定的讀數(shù)，但由于其幅度隨時(shí)間變化，無法模擬節(jié)目?jī)?nèi)容，如音樂或語(yǔ)音。節(jié)目信號(hào)的幅度應(yīng)涵蓋全范圍，從靜音到過驅(qū)動(dòng)（削波）。峰值因數(shù)（crest factor）可很好地描述節(jié)目信號(hào)的幅度失真，它是音樂或語(yǔ)音信號(hào)的峰值功率和平均功率的比值，單位為 dB。
在考慮放大器輸出信號(hào)的熱評(píng)估時(shí)，信號(hào)鏈上不僅要有音量和聲音控制以提供足夠大的增益，還要有固定電源來限制峰值輸出電壓。當(dāng)調(diào)高音量時(shí)，峰值因數(shù)會(huì)發(fā)生變化，因?yàn)榉逯当幌拗?，而平均功率仍在升高，所以峰值因?shù)會(huì)降低。最低的峰值因數(shù)取決于消費(fèi)者所能接受的失真大小和設(shè)備的最大增益設(shè)置。在任何消費(fèi)類應(yīng)用中，理想的最壞情況測(cè)試都是指峰值因數(shù)最低。
揚(yáng)聲器制造商通常采用 IEC268 - 5 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試信號(hào)為粉紅噪聲信號(hào)，即經(jīng)過 40Hz 的高通、5kHz 的低通濾波（濾波器為 2 階濾波器）后的各種頻率分布，用于還原音樂聲的長(zhǎng)時(shí)間頻率分布（圖 1）。

圖 1：IEC268 - 5 噪聲譜密度
IEC268 - 5 所規(guī)定的測(cè)試信號(hào)的峰值因數(shù)為 6dB，這是最壞情況下的指標(biāo)。使用該信號(hào)時(shí)，揚(yáng)聲器所能處理的平均功率稱為 “連續(xù)功率”，而絕大多數(shù)制造商公布的是 “節(jié)目功率（program power）”，該功率比連續(xù)功率高 3dB，用一個(gè)間斷的信號(hào)（依次循環(huán)地通一分鐘，斷一分鐘）測(cè)試。因此，揚(yáng)聲器可以處理具有 9dB 峰值因數(shù)的削波信號(hào)。
峰值因數(shù)中涉及的峰值功率，指的是放大器提供的峰值功率。放大器的額定輸出功率用 3dB 的正弦波測(cè)量，所以揚(yáng)聲器的長(zhǎng)期功率處理能力為 6dB，小于放大器的額定功率。用于整個(gè)設(shè)備的最壞情況下的長(zhǎng)期測(cè)試信號(hào)是 IEC268 噪聲，其 RMS 功率比峰值輸出功率低 9dB，比最大正弦波功率低 6dB，這是正弦波測(cè)試儀器的最大輸出功率。
在考慮放大器的熱設(shè)計(jì)時(shí)，沒有必要讓其處理比揚(yáng)聲器規(guī)定值更大的功率。集成放大器通常有熱保護(hù)，最壞的情況是沒有聲音，放大器重新冷卻下來后會(huì)自動(dòng)復(fù)位。由于揚(yáng)聲器過載會(huì)導(dǎo)致永久性損壞，將放大器的熱限制設(shè)置到較低水平實(shí)際上是保護(hù)揚(yáng)聲器的有效手段。

放大器的分類

電視機(jī)中常用的音頻放大器有 AB 類和 D 類兩種。下面分析這兩種類型的放大器在上述測(cè)試中的具體表現(xiàn)。
AB 類放大器是一種低成本的重負(fù)荷解決方案，但功耗較大，需要體積很大的散熱器。D 類放大器具有較高的效率，缺點(diǎn)是價(jià)格較高。不過，由于其需要的散熱措施少（散熱器小或無需散熱器）以及 IC 體積較小，在一定程度上彌補(bǔ)了價(jià)格上的不足。但系統(tǒng)仍需通過熱測(cè)試，因此測(cè)試策略會(huì)影響放大器的成本。
為了簡(jiǎn)化比較，假定兩種放大器都采用 FET，而不是雙極輸出晶體管。對(duì)于指定的電源電壓（VCC）、負(fù)載（RI）和 RDSON（輸出晶體管全導(dǎo)通的阻抗），兩種類型的最大輸出電壓相同，因?yàn)檫@決定了最大輸出功率。另外假定采用橋接負(fù)載（BTL）輸出，即輸出電流流過兩個(gè)晶體管且 RDSON 加倍（圖 2）。

圖 2：BTL 放大器輸出級(jí)
不同類型的放大器功耗差別極大。從直流分析來看，輸出電壓為 Ua（則輸出功率 P = Ua2/RI）：

• AB 類：Dab = [(Ua / RI) * (VCC - Ua)] + IQ * VCC，產(chǎn)生的功率為輸出電流與輸出電阻器上的電壓降的乘積。
• D 類：Dd = (Ua / RI)2 * 2 * RDSON + IQ * VCC，產(chǎn)生的功率主要由阻性損耗構(gòu)成，即（輸出電流）2 * R。

兩種放大器都有一個(gè)常系數(shù)：IQ * VCC，其中 IQ 為靜態(tài)電流。AB 類放大器用該電流來減小交叉失真，而 D 類放大器中，該電流代表開關(guān)損耗。兩種放大器中該電流的幅度相同。
通過仿真可以進(jìn)行進(jìn)一步分析。考慮常見的電視應(yīng)用，采用 12V 的電源、8Ω 的揚(yáng)聲器，并使用以下參數(shù)數(shù)據(jù)：

• VCC = 12V
• RI = 8Ω
• RDSON = 0.3Ω
• IQ = 0.02A

首先要確定效率，由下面的方程來計(jì)算：

圖 3 展示了正弦波的效率，還給出了輸出信號(hào)的失真。該失真由削波引起，也可以說是由限定的電源引起。

圖 3：效率與輸出功率的關(guān)系