摘要：隨著 D 類放大器逐漸不再采用模擬數字輸入，對于 HDTV 制造商而言，閉環架構不僅可發揮最佳的音質，而且只需最少的成本及開發時間。本文探討閉環架構的三個主要優勢：更高的阻尼系數、更準確的音頻及更佳的低音響應。此外，本文著重說明閉環架構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，以便設計人員解決電源供應的需求。最后，本文探討整合式閉環架構如何比開環架構達到更佳的電磁兼容性 (EMC) 性能。
作者：Michael Firth 及 Ryan Kehr，德州儀器
閉環音頻架構對于高清電視 (HDTV) 的優勢已經獲得證實，絕大多數模擬輸入 D 類放大器業已采用閉環架構。如今隨著市場改為采用數字輸入放大器 (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，閉環架構越來越受注目。本文由高層次的縱觀角度探討閉環架構，說明閉環架構為高清電視（ HDTV） 所提供的三個主要優勢：更高的阻尼系數、更良好的電源噪聲抗擾性及更高的電磁兼容性（EMC）效能。
縱觀閉環架構
在音頻領域中，對于閉環和開環架構的爭論已經持續多年。由于終端應用或用戶喜好的不同，這兩種架構各有其支持論點。在 高清電視（HDTV）領域中，閉環放大器無疑功效最佳。不過，在高端音響領域中，關于這兩種架構的爭論仍然持續不休。閉環架構的主要優點包括更佳的線性、增益穩定性、更大的帶寬，以及更低的輸出阻抗，但其中也存在一些缺點，主要包括降低穩定性、降低增益和增加復雜度。
概念上可以將閉環放大器視為「預失真」(圖 1)。反饋網絡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，再與內送的源信號再結合?？偤凸濣c (A 點) 發出的信號是減弱的輸入信號，其中已預先加入放大器及電源供應非線性的區域出現反相「預失真」。放大器隨后擴大該信號，增加非線性失真。由于源信號經過反饋網絡的預失真，因此會產生預失真及失真的抵銷作用，進而產生極為線性的信號。這是負反饋的基本優點，這樣的機制可用來動態調整系統中的非線性失真。在開環架構中，并不存在這樣的機制。因此，放大器線性及電源調節的性能需要較高，一般來說會造成成本增加及/或性能降低。
圖 1：閉環示意圖
阻尼系數的優點
阻尼系數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。高阻尼系數的放大器一般可重現較精準的低音響應。
閉環放大器的輸出阻抗相當低，因此阻尼系數相當高。在閉環系統中，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。假設有三個周期的 80Hz 觸發模式信號傳導到喇叭的終端，信號傳導到終端時，會驅動電流通過發音圈，而產生電動勢 (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及所用材質有關，而電子式阻尼的屬性則直接受到放大器阻尼系數的影響。
信號中斷后，喇叭會開始振動，此時會產生「阻尼」反向電動勢（ EMF），而使喇叭圓錐體停止振動。此電動勢（ EMF）會產生電流，經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 觸發模式信號驅動重低音喇叭經過三個周期的閉環放大器 (洋紅色) 及開環放大器 (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，可清楚看出閉環放大器減弱振動的速度比開環放大器快。除了阻尼較強之外，閉環放大器也能夠比開環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
供電抑制優點
根據定義，閉環系統使用反饋來使系統響應不受外部干擾的影響 [2]。開環系統不包含任何反饋機制，若要發揮開環的性能，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。透過電容或使用專屬切換式電源供應 (以反饋確保穩定輸出電壓)，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，而直接以 +12V 或 +24V 背光電源供應驅動音頻放大器，即可大幅減少系統成本。
一般是以電源抑制來衡量放大器是否能夠抑制電源供應干擾；不過，這種技術無法突顯橋接輸出配置的閉環系統與開環系統的優點。這種技術將輸出接地至放大器，并且在 DC 電源供應上增加頻率組件，以調變電源供應。在開環系統中，輸入電壓與內送的電源供應漣波相互混合 (圖 4)。在零輸入時，不會出現混合情形，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中，輸入頻率會與電源供應漣波相互混合，而造成音頻頻帶出現噪聲及失真。開環放大器的增益也可使用電源供應漣波加以調變。該效果可從圖 5 的總諧波失真及噪聲 (THD+N) 曲線圖看出，該圖將閉環放大器與開環放大器進行相互比較。
在圖 5 中，100Hz 正弦波施加于各個系統的輸入，并且增加輸入電壓，以描繪 THD+N 與 8Ohm 負載的輸出功率。使用的電源供應是現成的 12V 切換穩壓器。驅動 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。由于電源供應的需求導致電壓漣波增加，開環系統及閉環系統的 THD+N 差異隨之增加。這種現象在較低頻率更為明顯，因為穩壓器難以修正較大的輸出擺幅。
總結來說，在設計音頻電路專用的嚴格控制系統電源供應時，閉環系統能夠讓音頻電路設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：開環示意圖
圖 5：THD+N 與電源比較 – 開環及閉環放大器
為何選擇 EMC？
此外，閉環系統能夠使輸出轉換的升降邊緣趨緩，完全不影響總諧波失真或回轉率控制。其中閘極驅動器緩慢地從關閉狀態轉換為開啟狀態，因此 EMC測量中出現更為減弱的系統響應 (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鍵因素，這是輸出半橋的兩個 MOSFET 同時處于關閉狀態的時間。在開環系統中，兩個輸出 MOSFET 的失效時間必須相同，才能避免二階效應。若要將失效時間減至最低，脈沖寬度調變 (PWM) 輸出邊緣的升降會極快地轉換。圖 6 比較一般開環放大器 (以 2.4 納秒測量) (6a) 及閉環裝置 (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) 與實際輸出回應以及較緩慢邊緣轉換，閉環放大器的反饋即可針對較緩慢邊緣轉換進行修正。
在圖 7 中，EMC 的圖比較了開環放大器與閉環放大器。由于不當的電路板配置對于 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，閉環放大器的頻譜僅以輸出的 LC 濾波器加以測量。開環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，也可節省時間及成本。
圖 6：開環反應 (6a) 及閉環回應 (6b) 的范圍擷取
圖 7：閉環放大器及開環放大器的 EMC 性能
摘要
總結而言，本文呈現高清電視市場中閉環放大器的三個主要優點：更高的阻尼系數、更佳的電源噪聲抗擾性 (亦即更優質的電源漣波抑制比 (PSRR)) 以及更高的 EMC 性能。
隨著市場從模擬輸入 D 類音頻轉換到數字輸入放大器的趨勢，TAS5706 D 類放大器這類的閉環裝置，以及 TAS5601 與 TAS5602 PWM 功率級，能夠使設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)
如欲下載本文所提及的產品相關數據表和了解更多的信息，請訪問： www.ti.com/tas5706.
關于作者
Ryan Kehr 現任德州儀器技術小組成員及電視音頻產品的新產品定義經理，擁有 8 年的音頻團隊工作資歷，最初擔任高功率 D 類音頻放大器應用工程師。Michael Firth 現任電視音頻產品的產品營銷經理，擁有美國俄克拉荷馬大學(University of Oklahoma)工程物理學士學位。