摘要：隨著 D 類放大器逐漸不再采用模擬數(shù)字輸入，對于 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)時間。本文探討閉環(huán)架構(gòu)的三個主要優(yōu)勢：更高的阻尼系數(shù),、更準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)對于高清電視 (HDTV) 的優(yōu)勢已經(jīng)獲得證實，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。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,，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)會將放大器的輸出取樣,，放大器的輸出包含擴大的信號，以及放大器或電源供應(yīng)引入信號的任何非線性失真,。輸出取樣接著會減弱和反相,，再與內(nèi)送的源信號再結(jié)合?？偤凸?jié)點 (A 點) 發(fā)出的信號是減弱的輸入信號,，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」,。放大器隨后擴大該信號，增加非線性失真,。由于源信號經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)的預(yù)失真,，因此會產(chǎn)生預(yù)失真及失真的抵銷作用，進而產(chǎn)生極為線性的信號,。這是負反饋的基本優(yōu)點,，這樣的機制可用來動態(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
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的控制程度,，尤其是在較低頻率及瞬時期間,。高阻尼系數(shù)的放大器一般可重現(xiàn)較精準的低音響應(yīng)。
閉環(huán)放大器的輸出阻抗相當?shù)?，因此阻尼系?shù)相當高,。在閉環(huán)系統(tǒng)中，增加電壓輸出可使反饋補償放大器的輸出電阻電壓降低 (輸出阻抗的電壓降幅愈大,，針對總和節(jié)點提供的反饋越少,，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作方式,。假設(shè)有三個周期的 80Hz 觸發(fā)模式信號傳導(dǎo)到喇叭的終端,，信號傳導(dǎo)到終端時，會驅(qū)動電流通過發(fā)音圈,，而產(chǎn)生電動勢 (EMF) 使喇叭圓錐體振動,。理論上，一旦信號中斷,，喇叭會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載進行的機械式阻尼，以及 2) 透過喇叭磁性進行的電子式阻尼,。機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,。
信號中斷后，喇叭會開始振動,，此時會產(chǎn)生「阻尼」反向電動勢（ EMF）,，而使喇叭圓錐體停止振動。此電動勢（ EMF）會產(chǎn)生電流,，經(jīng)由放大器的輸出阻抗從其中一個終端流向另一個終端,。阻抗愈小，電流愈大,，因此阻尼電動勢 （EMF） 就會愈強,。概括來說，低輸出阻抗可產(chǎn)生較大的反向電動勢（ EMF）電流,，使得振動的阻尼越強,。
圖 2 顯示以 80Hz 觸發(fā)模式信號驅(qū)動重低音喇叭經(jīng)過三個周期的閉環(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)放大器減弱振動的速度比開環(huán)放大器快,。除了阻尼較強之外,，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。
圖 2：80Hz 省電模式的三個周期
圖 3：放大顯示阻尼
供電抑制優(yōu)點
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)不包含任何反饋機制，若要發(fā)揮開環(huán)的性能,，必須將外部干擾減至最低,。
對于音頻放大器而言，其中一個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,。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，不會出現(xiàn)混合情形,，而且橋接負載上各個輸出的干擾都會被消除,。在含有正弦曲線輸入頻率的實時音頻系統(tǒng)中，輸入頻率會與電源供應(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)放大器進行相互比較,。
在圖 5 中，100Hz 正弦波施加于各個系統(tǒng)的輸入,，并且增加輸入電壓,，以描繪 THD+N 與 8Ohm 負載的輸出功率。使用的電源供應(yīng)是現(xiàn)成的 12V 切換穩(wěn)壓器,。驅(qū)動 5W 輸出功率進入負載時,，在各個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，因為穩(wěn)壓器難以修正較大的輸出擺幅,。
總結(jié)來說,，在設(shè)計音頻電路專用的嚴格控制系統(tǒng)電源供應(yīng)時，閉環(huán)系統(tǒng)能夠讓音頻電路設(shè)計人員在不增加時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 MOSFET 同時處于關(guān)閉狀態(tài)的時間,。在開環(huán)系統(tǒng)中,，兩個輸出 MOSFET 的失效時間必須相同，才能避免二階效應(yīng),。若要將失效時間減至最低,，脈沖寬度調(diào)變 (PWM) 輸出邊緣的升降會極快地轉(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 (所需輸出響應(yīng)) 與實際輸出回應(yīng)以及較緩慢邊緣轉(zhuǎn)換,，閉環(huán)放大器的反饋即可針對較緩慢邊緣轉(zhuǎn)換進行修正。
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?shù)碾娐钒迮渲脤τ?EMC 性能極具影響，因此電路板配置與實驗相符,。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。避免將工程時間用于 EMC 除錯電路板上,，也可節(jié)省時間及成本,。
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)放大器的三個主要優(yōu)點：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,，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 年的音頻團隊工作資歷,，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,。