摘要：隨著 D 類放大器逐漸不再采用模擬數(shù)字輸入,，對(duì)于 HDTV 制造商而言,，閉環(huán)架構(gòu)不僅可發(fā)揮最佳的音質(zhì)，而且只需最少的成本及開發(fā)時(shí)間,。本文探討閉環(huán)架構(gòu)的三個(gè)主要優(yōu)勢：更高的阻尼系數(shù),、更準(zhǔn)確的音頻及更佳的低音響應(yīng)。此外,，本文著重說明閉環(huán)架構(gòu)如何提供先進(jìn)的電源噪聲抑制,，降低音頻頻帶中耦合的電源噪聲，以便設(shè)計(jì)人員解決電源供應(yīng)的需求,。最后,，本文探討整合式閉環(huán)架構(gòu)如何比開環(huán)架構(gòu)達(dá)到更佳的電磁兼容性 (EMC) 性能。

作者：Michael Firth 及 Ryan Kehr,，德州儀器

閉環(huán)音頻架構(gòu)對(duì)于高清電視 (HDTV) 的優(yōu)勢已經(jīng)獲得證實(shí),，絕大多數(shù)模擬輸入 D 類放大器業(yè)已采用閉環(huán)架構(gòu)。如今隨著市場改為采用數(shù)字輸入放大器 (I2S/PCM 序列 I/F),，加上成本,、上市時(shí)間及性能方面的壓力不斷增加，閉環(huán)架構(gòu)越來越受注目,。本文由高層次的縱觀角度探討閉環(huán)架構(gòu),，說明閉環(huán)架構(gòu)為高清電視（ HDTV） 所提供的三個(gè)主要優(yōu)勢：更高的阻尼系數(shù)、更良好的電源噪聲抗擾性及更高的電磁兼容性（EMC）效能,。

縱觀閉環(huán)架構(gòu)

在音頻領(lǐng)域中,，對(duì)于閉環(huán)和開環(huán)架構(gòu)的爭論已經(jīng)持續(xù)多年。由于終端應(yīng)用或用戶喜好的不同,，這兩種架構(gòu)各有其支持論點(diǎn),。在 高清電視（HDTV）領(lǐng)域中,，閉環(huán)放大器無疑功效最佳。不過,，在高端音響領(lǐng)域中,，關(guān)于這兩種架構(gòu)的爭論仍然持續(xù)不休。閉環(huán)架構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)包括更佳的線性,、增益穩(wěn)定性、更大的帶寬,，以及更低的輸出阻抗,，但其中也存在一些缺點(diǎn)，主要包括降低穩(wěn)定性,、降低增益和增加復(fù)雜度,。

概念上可以將閉環(huán)放大器視為「預(yù)失真」(圖 1)。反饋網(wǎng)絡(luò)會(huì)將放大器的輸出取樣,，放大器的輸出包含擴(kuò)大的信號(hào),，以及放大器或電源供應(yīng)引入信號(hào)的任何非線性失真。輸出取樣接著會(huì)減弱和反相,，再與內(nèi)送的源信號(hào)再結(jié)合,。總和節(jié)點(diǎn) (A 點(diǎn)) 發(fā)出的信號(hào)是減弱的輸入信號(hào),，其中已預(yù)先加入放大器及電源供應(yīng)非線性的區(qū)域出現(xiàn)反相「預(yù)失真」,。放大器隨后擴(kuò)大該信號(hào)，增加非線性失真,。由于源信號(hào)經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)的預(yù)失真,，因此會(huì)產(chǎn)生預(yù)失真及失真的抵銷作用，進(jìn)而產(chǎn)生極為線性的信號(hào),。這是負(fù)反饋的基本優(yōu)點(diǎn),，這樣的機(jī)制可用來動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)中的非線性失真。在開環(huán)架構(gòu)中,，并不存在這樣的機(jī)制,。因此，放大器線性及電源調(diào)節(jié)的性能需要較高,，一般來說會(huì)造成成本增加及/或性能降低,。

圖 1：閉環(huán)示意圖

阻尼系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)

阻尼系數(shù)是喇叭的阻抗與放大器的輸出阻抗兩者的比例，這表示放大器能夠有效開始和停止喇叭圓錐體振動(dòng)的控制程度,，尤其是在較低頻率及瞬時(shí)期間,。高阻尼系數(shù)的放大器一般可重現(xiàn)較精準(zhǔn)的低音響應(yīng)。

閉環(huán)放大器的輸出阻抗相當(dāng)?shù)?，因此阻尼系?shù)相當(dāng)高,。在閉環(huán)系統(tǒng)中,，增加電壓輸出可使反饋補(bǔ)償放大器的輸出電阻電壓降低 (輸出阻抗的電壓降幅愈大，針對(duì)總和節(jié)點(diǎn)提供的反饋越少,，因此輸出電壓就越大),。增加輸出電壓的效果等同于減少反饋放大器的輸出阻抗 [1]。

為了進(jìn)一步了解低輸出阻抗如何更有效地控制喇叭,，我們需要先了解喇叭的運(yùn)作方式,。假設(shè)有三個(gè)周期的 80Hz 觸發(fā)模式信號(hào)傳導(dǎo)到喇叭的終端，信號(hào)傳導(dǎo)到終端時(shí),，會(huì)驅(qū)動(dòng)電流通過發(fā)音圈,，而產(chǎn)生電動(dòng)勢 (EMF) 使喇叭圓錐體振動(dòng)。理論上,，一旦信號(hào)中斷,，喇叭會(huì)立即停止在休止位置。不過,，由于在系統(tǒng)中增加了電能,，因此必須在喇叭圓錐體停止振動(dòng)前消耗或減弱電能。喇叭有兩種阻尼：1) 透過喇叭懸吊及隔膜空氣負(fù)載進(jìn)行的機(jī)械式阻尼,，以及 2) 透過喇叭磁性進(jìn)行的電子式阻尼,。機(jī)械式阻尼的屬性與喇叭架構(gòu)及所用材質(zhì)有關(guān)，而電子式阻尼的屬性則直接受到放大器阻尼系數(shù)的影響,。

信號(hào)中斷后,，喇叭會(huì)開始振動(dòng)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生「阻尼」反向電動(dòng)勢（ EMF）,，而使喇叭圓錐體停止振動(dòng),。此電動(dòng)勢（ EMF）會(huì)產(chǎn)生電流，經(jīng)由放大器的輸出阻抗從其中一個(gè)終端流向另一個(gè)終端,。阻抗愈小,，電流愈大，因此阻尼電動(dòng)勢 （EMF） 就會(huì)愈強(qiáng),。概括來說,，低輸出阻抗可產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢（ EMF）電流，使得振動(dòng)的阻尼越強(qiáng),。

圖 2 顯示以 80Hz 觸發(fā)模式信號(hào)驅(qū)動(dòng)重低音喇叭經(jīng)過三個(gè)周期的閉環(huán)放大器 (洋紅色) 及開環(huán)放大器 (紅色),。其中的峰間振幅為 28V，而 80Hz 信號(hào)接近重低音喇叭的共振頻率,。在圖 3 中,，可清楚看出閉環(huán)放大器減弱振動(dòng)的速度比開環(huán)放大器快。除了阻尼較強(qiáng)之外，閉環(huán)放大器也能夠比開環(huán)放大器更快開始喇叭圓錐體振動(dòng),。

圖 2：80Hz 省電模式的三個(gè)周期

圖 3：放大顯示阻尼

供電抑制優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)定義,，閉環(huán)系統(tǒng)使用反饋來使系統(tǒng)響應(yīng)不受外部干擾的影響 [2]。開環(huán)系統(tǒng)不包含任何反饋機(jī)制,，若要發(fā)揮開環(huán)的性能,，必須將外部干擾減至最低。

對(duì)于音頻放大器而言,，其中一個(gè)主要的外部干擾來自電源供應(yīng),。透過電容或使用專屬切換式電源供應(yīng) (以反饋確保穩(wěn)定輸出電壓)，即可將干擾減至最低,。在 LCD 電視中,，不透過無干擾切換式電源供應(yīng)，而直接以 +12V 或 +24V 背光電源供應(yīng)驅(qū)動(dòng)音頻放大器,，即可大幅減少系統(tǒng)成本。

一般是以電源抑制來衡量放大器是否能夠抑制電源供應(yīng)干擾,；不過,，這種技術(shù)無法突顯橋接輸出配置的閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。這種技術(shù)將輸出接地至放大器,，并且在 DC 電源供應(yīng)上增加頻率組件,，以調(diào)變電源供應(yīng)。在開環(huán)系統(tǒng)中,，輸入電壓與內(nèi)送的電源供應(yīng)漣波相互混合 (圖 4),。在零輸入時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)混合情形,，而且橋接負(fù)載上各個(gè)輸出的干擾都會(huì)被消除,。在含有正弦曲線輸入頻率的實(shí)時(shí)音頻系統(tǒng)中，輸入頻率會(huì)與電源供應(yīng)漣波相互混合,，而造成音頻頻帶出現(xiàn)噪聲及失真,。開環(huán)放大器的增益也可使用電源供應(yīng)漣波加以調(diào)變。該效果可從圖 5 的總諧波失真及噪聲 (THD+N) 曲線圖看出,，該圖將閉環(huán)放大器與開環(huán)放大器進(jìn)行相互比較,。

在圖 5 中，100Hz 正弦波施加于各個(gè)系統(tǒng)的輸入,，并且增加輸入電壓,，以描繪 THD+N 與 8Ohm 負(fù)載的輸出功率。使用的電源供應(yīng)是現(xiàn)成的 12V 切換穩(wěn)壓器,。驅(qū)動(dòng) 5W 輸出功率進(jìn)入負(fù)載時(shí),，在各個(gè)放大器的輸入端所測得的輸入漣波為 300mVp。由于電源供應(yīng)的需求導(dǎo)致電壓漣波增加,，開環(huán)系統(tǒng)及閉環(huán)系統(tǒng)的 THD+N 差異隨之增加,。這種現(xiàn)象在較低頻率更為明顯,，因?yàn)榉€(wěn)壓器難以修正較大的輸出擺幅。

總結(jié)來說,，在設(shè)計(jì)音頻電路專用的嚴(yán)格控制系統(tǒng)電源供應(yīng)時(shí),，閉環(huán)系統(tǒng)能夠讓音頻電路設(shè)計(jì)人員在不增加時(shí)間或成本支出的情況下提升音頻性能。

圖 4：開環(huán)示意圖

圖 5：THD+N 與電源比較 – 開環(huán)及閉環(huán)放大器

為何選擇 EMC,？

此外,，閉環(huán)系統(tǒng)能夠使輸出轉(zhuǎn)換的升降邊緣趨緩，完全不影響總諧波失真或回轉(zhuǎn)率控制,。其中閘極驅(qū)動(dòng)器緩慢地從關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開啟狀態(tài),，因此 EMC測量中出現(xiàn)更為減弱的系統(tǒng)響應(yīng) (較低 dV/dt) 及更低的峰值。

失效時(shí)間是造成 D 類放大器總諧波失真的關(guān)鍵因素,，這是輸出半橋的兩個(gè) MOSFET 同時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)間,。在開環(huán)系統(tǒng)中，兩個(gè)輸出 MOSFET 的失效時(shí)間必須相同,，才能避免二階效應(yīng),。若要將失效時(shí)間減至最低，脈沖寬度調(diào)變 (PWM) 輸出邊緣的升降會(huì)極快地轉(zhuǎn)換,。圖 6 比較一般開環(huán)放大器 (以 2.4 納秒測量) (6a) 及閉環(huán)裝置 (以 10 納秒測量) (6b) 的上升時(shí)間,。值得注意的是范圍擷取的 EMC 因素 – 大量過沖的快速上升邊緣。

整合輸入信號(hào) (所需輸出響應(yīng)) 與實(shí)際輸出回應(yīng)以及較緩慢邊緣轉(zhuǎn)換,，閉環(huán)放大器的反饋即可針對(duì)較緩慢邊緣轉(zhuǎn)換進(jìn)行修正,。

在圖 7 中，EMC 的圖比較了開環(huán)放大器與閉環(huán)放大器,。由于不當(dāng)?shù)碾娐钒迮渲脤?duì)于 EMC 性能極具影響,，因此電路板配置與實(shí)驗(yàn)相符。另外值得注意的是,，閉環(huán)放大器的頻譜僅以輸出的 LC 濾波器加以測量,。開環(huán)放大器具有額外的緩沖電路，其中包含各個(gè)輸出中限制 dV/dt 的 R 及 C,。緩沖電路不僅增加所需的用料清單 (BOM),，也增加所需的電路板空間。對(duì)于高成本的四層電路板,，減少使用的電路板空間極為重要,。避免將工程時(shí)間用于 EMC 除錯(cuò)電路板上，也可節(jié)省時(shí)間及成本,。

圖 6：開環(huán)反應(yīng) (6a) 及閉環(huán)回應(yīng) (6b) 的范圍擷取

圖 7：閉環(huán)放大器及開環(huán)放大器的 EMC 性能

摘要

總結(jié)而言,，本文呈現(xiàn)高清電視市場中閉環(huán)放大器的三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：更高的阻尼系數(shù)、更佳的電源噪聲抗擾性 (亦即更優(yōu)質(zhì)的電源漣波抑制比 (PSRR)) 以及更高的 EMC 性能。

隨著市場從模擬輸入 D 類音頻轉(zhuǎn)換到數(shù)字輸入放大器的趨勢,，TAS5706 D 類放大器這類的閉環(huán)裝置,，以及 TAS5601 與 TAS5602 PWM 功率級(jí)，能夠使設(shè)備制造商以整合式解決方案來提升性能,、降低成本,，并縮短上市時(shí)間。

References

[1] Electronic Principles, Fourth Edition, Albert Paul Malvino (1989)
[2] Modern Control Engineering, Third Edition, Katsuhiko Ogata (1997)

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關(guān)于作者

Ryan Kehr 現(xiàn)任德州儀器技術(shù)小組成員及電視音頻產(chǎn)品的新產(chǎn)品定義經(jīng)理,，擁有 8 年的音頻團(tuán)隊(duì)工作資歷，最初擔(dān)任高功率 D 類音頻放大器應(yīng)用工程師,。Michael Firth 現(xiàn)任電視音頻產(chǎn)品的產(chǎn)品營銷經(jīng)理,，擁有美國俄克拉荷馬大學(xué)(University of Oklahoma)工程物理學(xué)士學(xué)位。