关于开环闭环D类放大器的设计 更新于2012-06-09 13:17:56 文章出处:互联网
开环 闭环 放大器
摘要：随着开环闭环 D 类放大器越来越受到消费类音频电子设备设计人员的青睐，需要以一种不同的方法来研究电源纹波的影响，以便充分地捕获到放大器的性能。当今的音频设计人员越来越多地将注意力集中到降低系统成本、缩小外形尺寸和提供高品质音频上来——所有这些都要求高电源噪声抑制架构。然而不幸的是，电源抑制比 (PSRR) 测量方法无法准确地捕获 D 类桥接式负载 (BTL) 放大器的性能。本文中，我们将讨论传统的 PSRR 规范和测量方法，并解释其未能充分捕获放大器电源抑制性能的原因。之后，我们介绍另一种研究电源纹波对放大器音频性能影响的方法。
在过去，电源抑制比 (PSRR) 就已成为一种测量放大器抑制电源输出噪声性能的优异测量方法。但是，由于出现了越来越多的 D 类放大器，以及其拥有的效率优势，仅仅依靠 PSRR 作为电源噪声抑制性能的指示器已经远远不够了。相比开环闭环数字输入 I2S 放大器的 PSRR 规范，这一情况愈加明显。很多时候，PSRR 规范是一样的，但当监听低于理想电源的放大器时，很明显会存在音频性能差异。本文纵览了传统的 PSRR 测量方法，并解释了其不能完全捕获桥接式负载 (BTL) 结构中 D 类放大器电源抑制性能的原因，并介绍了一种测量 D 类放大器中电源噪声影响大小的替代方法。
要想了解 PSRR 测量方法无法能够充分地捕获电源抑制性能的原因，我们需要回顾到 AB 类放大器统治消费类音频电子设备的时代。同今天的情况一样，AB 类放大器一般配置在一个单端 (SE) 或 BTL 输出结构中。实际上，SE AB 类放大器拥有分裂轨电源（即+/- 12V）是十分普遍的事，因为电源主要都基于变压器，而且增加第二个轨的成本也不是特别高。BTL 结构更多地用于那些没有分裂轨电源的音频系统中。不管是 SE 还是 BTL 结构，AB 类放大器本身都拥有良好的 PSRR，这是因为其基本架构以及通常大大低于电源轨电压的输出电平。
就 AB 类放大器而言，PSRR 测量方法可以相对较好地显示放大器抑制电源噪声的性能，而就 SE 结构而言，就需要特别精确的放大器电源噪声抑制性能（我们后面再展开详细讨论）。我们将时间向前推，便会发现 D 类放大器在当时的市场上风摩一时。它们极高效率的运行改变了市场动态，从而在工业设计中实现了相当大的创新，特别是在更小的尺寸方面。但是，相比 AB 类放大器，它们的架构都存在根本的不同，同时它们的输出结构选择几乎只有 BTL。
在 BTL 结构中，D 类放大器具有两个输出级，其由 4 个 FETS 组成（也被称作全桥接）。而 SE D 类放大器只有一个输出级，由两个 FETS 组成（也被称作半桥接）。相比 SE 结构，BTL 输出结构拥有诸多优势，其中包括给定在电源轨情况下的四倍输出功率，更好的低音响应，以及卓越的开/关咔嗒和噼噗声性能。BTL 架构存在的一些缺点是您需要两倍数目的 FET 晶体管。这就意味着更大的硅芯片尺寸和更高的相关成本，并且重建滤波器（LC 滤波器）成本也要翻倍。在今天的市场中，尽管 SE 和 BTL D 类放大器都可以看到，但大多数还是 BTL。
在 D 类 BTL 结构中，传统的 PSRR 测量方法就无能为力了。要想更好的了解其原因，就需要了解 D 类放大器的工作原理，以及 PSRR 是如何测量出来的。D 类放大器为开关放大器，其输出在极高的频率下（通常为 250kHz 或者更高）进行轨至轨切换。音频信号用于脉宽调制 (PWM) 该开关频率（方波）。然后，重建滤波器（LC 滤波器）用于从载波频率提取音频信号。这些开关架构均极为高效（在一些开关式电源中也采用相同结构），但是相比传统的 AB 类放大器它们对电源噪声更为敏感。仔细思考一下就不难发现放大器的输出实质上就是电源轨（脉宽调制），因此所有电源噪声都直接被传递给了放大器输出。
电源抑制比 (PSRR) 是一种衡量放大器抑制电源噪声（即纹波）性能好坏的度量标准。在选择音频放大器时它是一个重要的参数，因为低 PSRR 的音频放大器一般要求更高成本的电源和/或大去耦电容。在消费类电子产品市场上，电源成本、尺寸和重量都是重要的设计考虑因素，特别是在产品尺寸不断缩小、价格迅速下跌以及便携式设计日益普遍的情况下。
传统的 PSRR 测量方法中，放大器的电源电压由一个 DC 电压和一个 AC 纹波信号 (Vripple) 组成。音频输入为 AC 接地，因此在测量时没有音频信号。所有电源电压去耦电容都被去掉，以使 Vripple 不受人为衰减（请参见图 1）。然后，测量输出信号，并使用方程式 1 计算得到 PSRR：
图 1 传统 PSRR 测量方法
图 2 显示了传统 PSRR 测量方法对 D 类 BTL 音频放大器的测量。电源噪声明显地存在于输出端上，重建滤波器以前和以后均存在。但是，需要注意的是整个负载上噪声都存在并且为同相。因此，当您测量 PSRR 时，Vout+ 和 Vout– 纹波互相抵消，从而产生一个虚电源抑制指示。但是，可以清楚地看到，该放大器正将电源噪声直接传递到输出。对于该放大器抑制电源噪声性能的好坏，这种 PSRR 测量方法并不能给我们任何表示。PSRR 测量方法失效的原因是测量期间输入 AC 接地。在现实情况中，放大器将播放音乐，这就是事情开始变得有趣的地方。
播放音频时，电源噪声同进入的音频信号混频/调制，同时其随之产生的失真不同程度地传遍音频频带。BTL 结构固有的抵消效果不能再消除噪声。业界给这种现象起了一个十分形象生动的名称：互调失真 (IMD)。IMD 是两种或两种以上不同信号频率混频在一起的结果，其在一般不为任何一个谐波频率（整数倍数）上的频率形成一些额外信号。
图 2 使用 LC 滤波器的 BTL D 类 PSRR 测量方法
讨论如何弥补 PSRR 测量方法的一些不足之前，让我们首先讨论一下反馈功能。如果您是喝着咖啡，一直跟随本文的讨论，那么您就不会为 D 类放大器本身存在的一些电源噪声问题感到吃惊了。如果不是反馈功能，其便是一个严重的问题。（高端音频应用中，开环放大器听起来不错，但那是另外一种情况了。它们一般都拥有非常稳定、高性能的电源和极高的成本目标。）为了补偿电源噪声敏感度，设计人员设计一个具有高稳定电源的系统（会增加成本），或者使用一个具有反馈功能的 D 类放大器（也称作闭环放大器）。
当今，消费类电子产品市场上大多数模拟输入 D 类放大器均为闭环。但是，数字输入 I2S 放大器却是另外一种情况。I2S 放大器直接通过一条数字总线连接音频处理器或音频源。通过去除不必要的数模转换，不但可降低成本而且还可提高性能。不幸的是，今天的市场上并没有很多闭环 I2S 放大器，因为构建一个对 PWM 输出采样并将其同输入 I2S 数字音频流相加的反馈环路，是一件十分困难的事情。在模拟反馈系统中，您可将模拟输出同模拟输入相加，因此实施起来更为容易。但是，随着 I2S 市场的发展，大多数 I2S 放大器都应遵循与模拟输入放大器一样的发展道路，并采用反馈架构。
很明显，对于 BTL D 类放大器来说 PSRR 并不是一种有效的电源抑制性能测量方法。那么，接下来做什么呢？还是回到那个生动形象的声音术语互调。我们需要测量播放音频时产生的互调失真及其相应的 THD+N 变量曲线。在这样做以前，让我们转回到 SE 架构。在 SE 架构中，不管它是 AB 类、D 类还是 Z 类放大器，您都得不到 BTL 架构的抵消效果，因为扬声器的一端被连接到放大器，而另一端则接地。因此，在 SE 架构中，传统的 PSRR 测量方法具有较好的电源噪声抑制指示，而不管是 AB 类还是 D 类放大器。
现在，让我们进到实验室中获得一些数据。下面是一系列测量法，其中我们在一个开环和闭环 I2S 放大器中分析和对比了电源纹波 IMD。将一个 1kHz 数字声调注入到放大器的输入端，同时将一个 100Hz、500mVpp 的纹波信号注入到电源。通过使用一个带音频精确度内建 FFT 函数的差分输出 FFT 来观察 IMD。
图 3 显示的是一个闭环 I2S 放大器的 IMD 测量方法。请注意 1kHz 输入信号和几乎不存在的边带。该反馈环路正出色地抑制互调失真。
图 3 TAS5706 闭环互调扫描
图 4 显示了相同的 IMD 测量方法，但这次针对的是一个 I2S 开环放大器。900 Hz 和 1.1kHz 边带均非常明显，因为没有反馈抑制 IMD。
图 4 开环互调扫描
现在，让我们讨论一些有意思的事情！在图 3 和图 4 中，您可以清楚地看到电源噪声 IMD 的效果。但是就音频质量而言，IMD 并非是一种能够给您诸多定性方法的简单的测量方法。一种选择是进行相同的实验，但现在却是对 THD+N 变量曲线进行测量，这也正是我们要在后面两个测量方法中做的。利用一个 1kHz 数字音频信号和 500mVpp 电源纹波对 THD+N 进行测量。电源纹波频率在 50Hz 到 1kHz 范围内变化。
图 5 中，观察不同电源纹波频率下开环部分的 THD+N 扫描。红线表示电源没有纹波的放大器性能，其代表理想状况。其它曲线代表 50Hz 到 1kHz 之间变化的纹波频率。请注意，纹波频率增加时，失真影响的频率带宽也同时增加。请注意，开环性能在稳定电源环境中较好，但是这会增加成本，并且会在当今这个消费类电子产品激烈竞争的世界中处于不利地位。
图 5 开环：不同 PVCC 纹波频率下 THD+N 与频率的对比关系
观察图 6 所示的相同 THD+N 扫描，但现在针对的是闭环放大器。反馈功能将抑制互调失真，因此您没有看到任何纹波噪声对音频性能的影响。
图 6 闭环：不同 PVCC 纹波频率下 THD+N 与频率的对比关系
结论
本文中，我们回顾了测量 PSRR 的传统方法，并说明了其无法在 BTL D 类放大器中测量电源纹波影响的原因。BTL 输出结构的固有抵消效果，加上测量期间缺少音频信号，从而产生一个虚假读数。这是该规范的严重缺点，因为电源噪声抑制性能在选择一个 D 类放大器时是极其重要的，特别是在观察数字输入 (I2S) 闭环和开环放大器之间的性能差异时。要想获得更为精确的电源噪声抑制图像，您需要在输入端注入一个 1kHz 音频信号并在电源上注入噪声来研究 IMD 和 THD+N 性能。最后，我们介绍了闭环 D 类放大器是如何能够对电源噪声进行补偿的，而开环放大器却不能做到这一点。在竞争激烈的消费类电子产品市场中，成本最为关键，闭环架构可以降低系统成本是一个非常重要的设计考虑因素。
参考文献
• 《模拟和数字通信简介》，作者：Haykin, Simon，第 3.7 章非线性失真，由约翰威立国际出版公司 (John Wiley & Sons, Inc.) 出版，1989 年版，ISBN：0-471-85978-8。
• 《闭环 HDTV 音频不但降低了空间要求和成本，而且还提升了性能》，作者：Firth, Michael 和 Kehr, Ryan，网址：VideoImagingDesignLine.com，2008 年 12 月 5 日：
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