摘要：開(kāi)環(huán)閉環(huán)D 類放大器逐漸成為消費(fèi)性音頻電子設(shè)計(jì)人員的優(yōu)先選擇,，若要準(zhǔn)確地掌握放大器的性能,，就需要不同的方式來(lái)檢視電源紋波的效果。現(xiàn)在的音頻設(shè)計(jì)人員非常重視降低系統(tǒng)成本,、縮小體積以及提升音質(zhì),，而這些都需要高度供電噪音抑制架構(gòu)才能達(dá)成，然而,，供電抑制比(PSRR) 測(cè)量無(wú)法準(zhǔn)確判別D 類橋接負(fù)載(BTL) 放大器的性能,。本文將探討傳統(tǒng)的PSRR 規(guī)格及測(cè)量技術(shù)，并說(shuō)明其何以無(wú)法確切地測(cè)得放大器的供電抑制功能，此外,，文中還將提供另一種方式來(lái)檢視放大器音頻性能中的電源紋波效應(yīng),。

    長(zhǎng)久以來(lái)，供電抑制比(PSRR) 一直是評(píng)定放大器是否能抑制輸出端電源噪音的絕佳方式,，然而,，隨著D 類放大器的普及與性能優(yōu)勢(shì)，光靠PSRR 做為供電噪音抑制的指標(biāo)已顯不足,。比較開(kāi)環(huán)閉環(huán)數(shù)字輸入I2S 放大器的PSRR 規(guī)格時(shí),，這點(diǎn)尤其明顯。PSRR 規(guī)格大多相同,，不過(guò),，聆聽(tīng)采用非理想電源供應(yīng)的放大器所發(fā)出的音質(zhì)時(shí)，即可明顯地判別出音質(zhì)的差異,。本文將概述傳統(tǒng)的PSRR 測(cè)量方式,，并說(shuō)明這種測(cè)量方式何以無(wú)法確切判斷橋接負(fù)載(BTL) 配置中D 類放大器的供電抑制性能，同時(shí)提供能有效測(cè)量D 類放大器之中供電噪音效應(yīng)的替代方法,。

   若要了解PSRR 測(cè)量何以不再能確切判別供電抑制性能,，必須先回顧AB 類放大器主導(dǎo)消費(fèi)性音頻電子產(chǎn)品的那段歷史。AB 類放大器過(guò)去的配置都采用單端(SE) 或BTL 輸出配置,，這與現(xiàn)今的配置相同,。事實(shí)上，SE AB 類放大器一般都使用分支軌電源(split rail supply) (亦即+/- 12V),，因?yàn)殡娫垂?yīng)主要采用變壓器的型態(tài),，而且加入第二個(gè)軌不會(huì)導(dǎo)致成本負(fù)擔(dān)。BTL 配置較常用于非分支軌電源的音頻系統(tǒng),。然而,，不論是SE 或BTL 配置，通過(guò)AB 類放大器的基本架構(gòu)以及低于電源軌電壓的輸出電壓,，AB 類放大器都能達(dá)到良好的PSRR,。

    針對(duì)AB 類放大器，PSRR 測(cè)量能夠較準(zhǔn)確地指出放大器抑制電源噪音的能力,，尤其是對(duì)于SE 配置(詳見(jiàn)下文),。首先讓我們來(lái)了解D 類放大器對(duì)于市場(chǎng)的影響。D 類放大器的高效運(yùn)作改變了市場(chǎng)的生態(tài),，使得工業(yè)設(shè)計(jì)出現(xiàn)大量的創(chuàng)新,，尤其是體積尺寸的縮減。然而,，這類放大器的架構(gòu)與AB 類放大器有根本上的差異,，而且?guī)缀跚逡簧剡x用BTL 作為其輸出配置,。

    在BTL 配置中，D 類放大器具備由四個(gè)FETS 組成的兩個(gè)輸出級(jí)(也稱為全橋式),。SE D 類放大器則只有由兩個(gè)FETS 組成的單一輸出級(jí)(也稱為半橋式),。相較于SE 配置，BTL 輸出配置具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn),，包括特定電源軌的四倍輸出功率,、較佳的低音回應(yīng)，以及絕佳的開(kāi)關(guān)噪音抑制性能,。BTL 架構(gòu)的缺點(diǎn)則是需要兩倍數(shù)量的FET 電晶體,，這表示晶粒的大小尺寸及相關(guān)成本增加，而且重建濾波器(LC 濾波器) 的成本加倍,。在現(xiàn)今SE 及BTL D 類放大器并行的市場(chǎng)中,，BTL 占了絕大多數(shù)。

     在D 類BTL 配置中,，傳統(tǒng)的PSRR 測(cè)量無(wú)法發(fā)揮效用,。為了深入了解其中的原因，就必須先了解D 類放大器的運(yùn)作方式以及PSRR 的測(cè)量方式,。D 類放大器是切換放大器,，輸出會(huì)以極高的頻率在軌與軌之間切換，而此頻率一般在250kHz 以上,。音頻會(huì)用來(lái)進(jìn)行切換頻率(方波) 的脈沖寬度調(diào)變(PWM),，然后重建濾波器(LC 濾波器) 會(huì)用來(lái)擷取載波頻率中的音頻,。這類切換架構(gòu)的性能相當(dāng)高(架構(gòu)與開(kāi)關(guān)模式電源供應(yīng)相同),，但是對(duì)于供電噪音的敏感度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的AB 類放大器。再仔細(xì)想想,，放大器的輸出基本上是電源軌(經(jīng)過(guò)脈沖寬度調(diào)變),，因此任何出現(xiàn)的供電噪音都會(huì)直接傳送到放大器的輸出。

    供電抑制比(PSRR) 是測(cè)定放大器抑制供電噪音(亦即紋波) 達(dá)到何種程度的測(cè)量方式,。這是選用音頻放大器時(shí)必須考慮的重要參數(shù),，因?yàn)镻SRR 不佳的音頻放大器通常需要高成本的電源供應(yīng)及/或大型去耦合電容。在消費(fèi)市場(chǎng)中,，電源供應(yīng)的成本,、尺寸及重量是重要的設(shè)計(jì)考慮，尤其在體積外型不斷縮小,、價(jià)格急速下滑,，而且便攜式設(shè)計(jì)日益普遍的情況下更是如此。

    在傳統(tǒng)的PSRR 測(cè)量中,，放大器的電源電壓包含DC 電壓及AC 紋波信號(hào)(Vripple),。音頻輸出為AC 接地,，因此測(cè)量期間不會(huì)有任何音頻。由于所有的電源電壓去耦合電容都已移除,，因此Vripple 不會(huì)明顯減弱(圖1),。此時(shí)會(huì)測(cè)量輸出信號(hào)，然后使用式1 計(jì)算PSRR：

                                                           (1)

圖1. 傳統(tǒng)的PSRR 測(cè)量

    圖2 顯示在D 類BTL 音頻放大器上進(jìn)行的傳統(tǒng)PSRR 測(cè)量,。重建濾波器前后的輸出明顯出現(xiàn)供電噪音,，不過(guò)，請(qǐng)注意出現(xiàn)的噪音在負(fù)載中為同相位(in-phase),。因此,，測(cè)量PSRR 時(shí)，Vout+ 與Vout- 紋波會(huì)相互抵消,，產(chǎn)生出供電抑制的錯(cuò)誤指示,，但是，可以清楚地看到放大器正將電源噪音直接傳送到輸出,。這類PSRR 測(cè)量無(wú)法指出放大器抑制供電噪音的優(yōu)劣程度,，而PSRR 測(cè)量無(wú)法發(fā)揮效用的主因是輸入在測(cè)量期間為AC 接地,。在實(shí)際應(yīng)用中,，放大器的功用是播放音樂(lè),，這正是必須考慮的部分,。

    播放音頻時(shí)，供電噪音會(huì)與內(nèi)送音頻相互混合/調(diào)變,，而整個(gè)音頻頻帶會(huì)產(chǎn)生程度不一的失真狀況，BTL 配置本身的抵消作用再也無(wú)法消除其中的噪音,，業(yè)界稱此為互調(diào)失真(IMD)。IMD 是兩個(gè)以上不同頻率的信號(hào)混合后所產(chǎn)生的結(jié)果,，而且一般來(lái)說(shuō)，所形成的信號(hào)頻率不會(huì)是其中一種信號(hào)的諧波頻率(整數(shù)倍數(shù)),。

圖2. 具備LC 濾波器的BTL D 類PSRR 測(cè)量

    在繼續(xù)探討如何應(yīng)付PSRR 測(cè)量的缺陷之前,，首先談?wù)撘幌禄仞?。從前文的論述中,，?yīng)該不難察覺(jué)到D 類放大器本身有電源噪音方面的問(wèn)題，若不進(jìn)行反饋,，這將成為一個(gè)重大缺陷(在高階音頻應(yīng)用中，開(kāi)放回路放大器可達(dá)到不錯(cuò)的音質(zhì),，然而這類放大器一般都具備相當(dāng)穩(wěn)定,、高性能的電源，而且成本也相當(dāng)高,，因此不能相提并論,。) 若要補(bǔ)強(qiáng)對(duì)供電噪音的敏感度,，設(shè)計(jì)人員可以設(shè)計(jì)一個(gè)電源已經(jīng)過(guò)良好調(diào)節(jié)的系統(tǒng),，不過(guò)成本會(huì)增加,，又或者是使用具有反饋的D 類放大器(也稱為封閉回路放大器),。

    在現(xiàn)今的消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場(chǎng)中,，大多數(shù)的模擬輸入D 類放大器都采用封閉回路。然而,，其中的數(shù)字輸入I2S 放大器有其缺陷,。I2S 放大器通過(guò)數(shù)字匯流排直接連接于音頻處理器或音頻來(lái)源,，由于免除不必要的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換,，因此可降低成本，并提升性能,。但是，如今市場(chǎng)上的封閉回路I2S 放大器并不普遍,，因?yàn)橐⒎答伝芈穪?lái)進(jìn)行PWM 輸出取樣并且與內(nèi)送I2S 數(shù)字音頻串流(digital audio stream) 相加總是相當(dāng)困難的,。在模擬反饋系統(tǒng)中，通常是模擬輸出與模擬輸入相加總,，因此較為簡(jiǎn)易可行,。然而，隨著I2S 市場(chǎng)的演變,，大多數(shù)的I2S 放大器都采取模擬輸入放大器的做法,，并采用反饋架構(gòu)。

    顯然PSRR 不是測(cè)量BTL D 類放大器供電抑制的有效方法,，那么應(yīng)該怎么做？現(xiàn)在回頭談?wù)劵フ{(diào)這個(gè)名詞。設(shè)計(jì)人員需要測(cè)量在播放音頻時(shí)所產(chǎn)生的互調(diào)失真及其對(duì)應(yīng)的THD+N 配置,。在開(kāi)始之前，讓我們先回顧一下SE 架構(gòu),。在SE 架構(gòu)中，不論是AB 類,、D 類或Z 類,，都沒(méi)有BTL 架構(gòu)的抵消作用,，這是因?yàn)槔鹊钠渲幸欢诉B接放大器，另一端則接地,。因此,，對(duì)于AB 類或D 類放大器而言,，在SE 架構(gòu)中，傳統(tǒng)的PSRR 測(cè)量都能夠確實(shí)指出供電噪音抑制的情形。

    在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后便能取得一些數(shù)據(jù),，而藉由下列一系列測(cè)量所得的數(shù)據(jù),，則可分析和比較開(kāi)放回路及封閉回路I2S 放大器的電源紋波IMD,。數(shù)字1kHz 音調(diào)注入放大器的輸入,，而100Hz 的500mVpp 紋波信號(hào)則注入電源供應(yīng)。通過(guò)音頻精準(zhǔn)度內(nèi)建于FFT 的功能可取得差動(dòng)輸出的FFT,，進(jìn)而進(jìn)行觀測(cè)IMD,。

   圖3 顯示封閉回路I2S放大器的IMD測(cè)量,，注意其中的1 kHz 輸入信號(hào)以及幾乎不存在的旁波帶(sideband)。反饋回路正有效地抑制互調(diào)失真,。

圖3. TAS5706 封閉回路互調(diào)曲線圖

    圖4 顯示相同的IMD 測(cè)量,，但是這次是在I2S 開(kāi)放回路放大器進(jìn)行測(cè)量。900 Hz 及1.1kHz 的旁波帶相當(dāng)明顯,，因?yàn)槠渲袥](méi)有抑制IMD 的反饋,。

圖4. 開(kāi)放回路互調(diào)曲線圖

    現(xiàn)在提供一個(gè)好消息。在圖3 及圖4 中,，可以清楚看出電源噪音IMD 所產(chǎn)生的效果,，不過(guò)，就音質(zhì)而言，IMD 是一種很難達(dá)到定性的測(cè)量方式,。進(jìn)行這種實(shí)驗(yàn)時(shí),，可選擇改為測(cè)量THD+N 配置，以下兩項(xiàng)測(cè)量將依此進(jìn)行,。THD+N 是以1kHz 數(shù)字音頻及500mVpp 電源紋波進(jìn)行測(cè)量,，電源紋波頻率則介于50Hz 至1kHz 之間,。

    圖5 顯示開(kāi)放回路放大器在不同電源紋波頻率下的THD+N 曲線圖,。紅線表示電源供應(yīng)未出現(xiàn)任何紋波的放大器性能,，這是最理想的狀態(tài)。另一條曲線表示介于50Hz 至1kHz 之間的紋波頻率,。當(dāng)紋波頻率增加時(shí),，失真對(duì)頻率帶寬的影響也會(huì)增加。通過(guò)經(jīng)過(guò)良好調(diào)節(jié)的電源能夠達(dá)到良好的開(kāi)放回路性能,，不過(guò),，這會(huì)使得成本提高，對(duì)于現(xiàn)今極為競(jìng)爭(zhēng)的消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場(chǎng)而言,，會(huì)是一大問(wèn)題,。

圖5. 開(kāi)放回路：不同PVCC 紋波頻率的THD+N 與頻率

圖6 顯示封閉回路放大器的相同THD+N 曲線圖。其中反饋抑制了互調(diào)失真,，因此音頻未出現(xiàn)任何紋波噪音,。

圖6. 封閉回路：不同PVCC 紋波頻率的THD+N 與頻率

結(jié)論

   本文回顧了測(cè)量PSRR 的傳統(tǒng)方法,，并指出其未能有效測(cè)量BTL D 類放大器供電紋波效應(yīng)的原因,。BTL 輸出配置本身的抵消作用加上測(cè)量期間未出現(xiàn)任何音頻,，便產(chǎn)生了錯(cuò)誤的讀數(shù),。這是規(guī)格上的重大缺陷,，因?yàn)楣╇娫胍粢种菩阅苁沁x擇D 類放大器時(shí)其中一項(xiàng)相當(dāng)重要的指標(biāo),，尤其在檢視數(shù)字輸入(I2S) 封閉回路及開(kāi)放回路放大器的性能差異時(shí)更是如此。若要更正確地了解供電噪音抑制，就必須檢查輸出出現(xiàn)1kHz 音頻信號(hào)且電源供應(yīng)出現(xiàn)噪音時(shí)的IMD 及THD+N情況,。本文最后說(shuō)明封閉回路 D 類放大器何以能夠針對(duì)供電噪音進(jìn)行補(bǔ)償而開(kāi)放回路放大器卻無(wú)法做到,。在極為競(jìng)爭(zhēng)的消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場(chǎng)中，成本是考慮的核心因素,，而封閉回路架構(gòu)能否降低系統(tǒng)成本是相當(dāng)重要的設(shè)計(jì)重點(diǎn),。