The amplifier and speaker spec impact on audio performance 放大器與喇叭的規格對於音頻訊號的影響

當Codec的DAC轉出音頻訊號後，需要經過放大器來增強訊號，再透過喇叭將電能轉為聲能，才能發出聲音。要有好的聲音品質需要注意放大器與喇叭的規格，下面列出一些要注意的規格。

Class-D amp 放大器

Class-D amplifier給speaker的最大輸出功率計算，當VDD=5V，在最理想的情況下，輸出電壓Vrms= 5Vx0.707= 3.535V ，當speaker阻抗在8ohm的情況下，輸出功率為V²/R=3.535²/8=1.562W。在4ohm的情況下，可以輸出3.124W。下圖為TI AIC3262 Class-D Amp output spec，它的最大輸出Vrms=3.46V,輸出功率為1.41W，這是在失真10%時量到的數據，如果增加amp的輸出功率，失真度就會超過10%。另外還有幾個影響輸出信號品質的數據，SNR 、THD+N、PSRR。

1.SNR ：訊號與雜訊的比率，在放大倍率為6dB (Vo/Vi=2, 20log2=6dB)的條件下, 量測SNR數
                值越大，表示音頻的雜訊越小。
2.THD+N：總諧波失真+Ｎ，就是總諧波失真加上雜訊後與訊號的比值，等於把SNR也考慮
                 進去。比值會小於1，再取log，所以是負數。
3.PSRR：電源抑制比，當放大器的電源輸入端出現雜訊時，會產生多少比例的雜訊在放大器
                 輸出端，表示這個放大器抗電源雜訊的能力，數值越大越好。
4,Po      ：最大輸出功率，這需要考慮量測的條件，尤其是在不同的放大倍率與THD+N數值的
                 情況下。另外在設定放大器的輸出功率時，需要考慮後級speaker的power rating，
                 輸出功率大於後級的power rating時，有可能會燒掉speaker。

Speaker喇叭
Speaker的規格書上，我主要看它的幾個參數，dimension, impedance,Power rating,lowest resonant Frequency, S.P.L, FR , distortion.

1.Dimension：在物理條件的限制下，一個Speaker的尺寸大小直接影響它的聲音表現。小尺寸                                的喇叭，很難在低音方面能有表現。

2.Impedance：P=V²/R, 當放大器輸出電壓固定的情況下，阻抗越低，能產生的功率越大。但

                       相對的，消耗的電流也會增加。

3.Power rating：喇叭能承受的功率，如果輸出過大的功率給喇叭，是會造成喇叭燒掉的。

而且越大功率的喇叭，不代表能產出的聲音比較大

4.Lowest resonant frequency：最低共振頻率點，這表示喇叭的低頻點，在這個頻率點，喇叭的   阻抗最大。
5.Output Sound Pressure：SPL表示聲壓大小，需要參考它的測試條件。在下面規格書的例子
是提供1W給speaker，可以在距離0.5m處，量到81dB的聲壓。供不同的瓦數

、在不同的距離量測，量到的聲壓也不同。這個數據也表現出這個speaker在
電能與聲能的轉換效率。

6.Frequency Range：表示speaker輸出的頻寬，在下面規格書的例子是量測每個頻率點的SPL，                               要能大於Average SPL-10dB，才算是在頻帶內。
7.Distortion  ：失真度，下面的例子是供speaker 1W，量測1Khz頻率點，失真最多為5%。如果                                提供超過1W的能量給Speaker，失真度就可能超過5%。

上圖為speaker的頻率響應圖，可以看出在頻帶450~20kHz，SPL都在70dB以上。但由於speaker

的最低共振頻率點為900Hz，所以900Hz以下的頻率點，失真度都會過高。

Reference

1.http://www.ti.com/product/tlv320aic3262
2.http://www.endrich.com/es/55825/altavoces+din%C3%A1micos?prodnav=2_55825

Digital MEMS Microphone

數位麥克用來將類比的聲壓轉成數位音訊資料，要知道數位麥克風的規格才知理解聲壓與數位資料的關系。要如何解讀數位麥克風的規格呢?

Sensitivity 靈敏度

聲壓SPL 94dB或1Pa 的1kHz正弦波為標準參考輸入值，靈敏度用來表示在輸入SPL 94dB的情況下，數位麥克風會轉換為多大的振幅。有不少的數位麥克風標示它們的Sensitivity為-26dBFS，FS為Full scale，這表示輸入94dB會得到-26dBFS，輸入SPL 120dB會得到0dBFS。靈敏度越高的麥克風，它的靈敏度絕對值越小。靈敏度不是越高越好，如果靈敏度只有-20dBFS，這意謂SPL 114dB為它的0dBFS，當輸入的聲壓超過SPL 114dB以上，都會被截波、失真。

下面為Sensitivity的公式，output為1V，Sensitivity 5% FS可以得到-26dB的Sensitivity dBFS.

從下圖可以看到0dBFS對應的是SPL 120dB，94dB為reference SPL，

EIN (Noise input noise)為33dB SPL，這是內部雜訊，表示在沒有聲音的情況下，也會測到的SPL值。

S/N (Signal to noise ratio)為Reference SPL減掉EIN=> 94dB-32dB=61dB。

Dynamic range表示麥克風的動態範圍，用來表示數位麥克風能接受的SPL範圍，

Dynamic range=SNR+sensitivity=62dB+26dB=88dB。

Frequency response以1kHz的輸出為基準，量測在高頻低頻的-3dB點，用來當作數位麥克風的頻寬。

Total Harmonic Distortion (THD)表示總諧波失真，這跟測試的條件有關系，SPL越大，THD就越大。

Power supply rejection ratio(PSRR) 用來表示數位麥克風抗電源雜訊的能力。Power supply rejectjion(PSR)測試，輸入217Hz振幅100mV的方波進到數位麥克風電源VDD，是再量測數位麥克風在20kHz的頻帶內的頻率響應。。而PSRR的測試是輸入100mV的弦波，弦波頻率從100Hz到10kHz，量測VDD在載入各種頻率的弦波下，輸出端對應的頻率點會有多大的輸出

Reference
1. MICROPHONE SPECIFICATIONS EXPLAINED  (InvenSense Inc).