HDTV整合闭环架构与开环架构分析

 

　　闭环音频架构对于高清电视 (HDTV) 的优势已经获得证实，绝大多数模拟输入 D 类放大器业已采用闭环架构。如今随着市场改为采用数字输入放大器 (I2S/PCM 序列 I/F)，加上成本、上市时间及性能方面的压力不断增加，闭环架构越来越受注目。本文由高层次的纵观角度探讨闭环架构，说明闭环架构为高清电视( HDTV) 所提供的三个主要优势：更高的阻尼系数、更良好的电源噪声抗扰性及更高的电磁兼容性(EMC)效能。

　　纵观闭环架构

　　在音频领域中，对于闭环和开环架构的争论已经持续多年。由于终端应用或用户喜好的不同，这两种架构各有其支持论点。在 高清电视(HDTV)领域中，闭环放大器无疑功效最佳。不过，在高端音响领域中，关于这两种架构的争论仍然持续不休。闭环架构的主要优点包括更佳的线性、增益稳定性、更大的带宽，以及更低的输出阻抗，但其中也存在一些缺点，主要包括降低稳定性、降低增益和增加复杂度。

　　概念上可以将闭环放大器视为「预失真」(图 1)。反馈网络会将放大器的输出取样，放大器的输出包含扩大的信号，以及放大器或电源供应引入信号的任何非线性失真。输出取样接着会减弱和反相，再与内送的源信号再结合。总和节点 (A 点) 发出的信号是减弱的输入信号，其中已预先加入放大器及电源供应非线性的区域出现反相「预失真」。放大器随后扩大该信号，增加非线性失真。由于源信号经过反馈网络的预失真，因此会产生预失真及失真的抵销作用，进而产生极为线性的信号。这是负反馈的基本优点，这样的机制可用来动态调整系统中的非线性失真。在开环架构中，并不存在这样的机制。因此，放大器线性及电源调节的性能需要较高，一般来说会造成成本增加及/或性能降低。

　　

 

　　图 1：闭环示意图

　　阻尼系数的优点

　　阻尼系数是喇叭的阻抗与放大器的输出阻抗两者的比例，这表示放大器能够有效开始和停止喇叭圆锥体振动的控制程度，尤其是在较低频率及瞬时期间。高阻尼系数的放大器一般可重现较精准的低音响应。

　　闭环放大器的输出阻抗相当低，因此阻尼系数相当高。在闭环系统中，增加电压输出可使反馈补偿放大器的输出电阻电压降低 (输出阻抗的电压降幅愈大，针对总和节点提供的反馈越少，因此输出电压就越大)。增加输出电压的效果等同于减少反馈放大器的输出阻抗 [1]。

　　为了进一步了解低输出阻抗如何更有效地控制喇叭，我们需要先了解喇叭的运作方式。假设有三个周期的 80Hz 触发模式信号传导到喇叭的终端，信号传导到终端时，会驱动电流通过发音圈，而产生电动势 (EMF) 使喇叭圆锥体振动。理论上，一旦信号中断，喇叭会立即停止在休止位置。不过，由于在系统中增加了电能，因此必须在喇叭圆锥体停止振动前消耗或减弱电能。喇叭有两种阻尼：1) 透过喇叭悬吊及隔膜空气负载进行的机械式阻尼，以及 2) 透过喇叭磁性进行的电子式阻尼。机械式阻尼的属性与喇叭架构及所用材质有关，而电子式阻尼的属性则直接受到放大器阻尼系数的影响。

　　信号中断后，喇叭会开始振动，此时会产生「阻尼」反向电动势( EMF)，而使喇叭圆锥体停止振动。此电动势( EMF)会产生电流，经由放大器的输出阻抗从其中一个终端流向另一个终端。阻抗愈小，电流愈大，因此阻尼电动势 (EMF) 就会愈强。概括来说，低输出阻抗可产生较大的反向电动势( EMF)电流，使得振动的阻尼越强。

　　图 2 显示以 80Hz 触发模式信号驱动重低音喇叭经过三个周期的闭环放大器 (洋红色) 及开环放大器 (红色)。其中的峰间振幅为 28V，而 80Hz 信号接近重低音喇叭的共振频率。在图 3 中，可清楚看出闭环放大器减弱振动的速度比开环放大器快。除了阻尼较强之外，闭环放大器也能够比开环放大器更快开始喇叭圆锥体振动。

　　

 

　　图 2：80Hz 省电模式的三个周期

　　

 

　　图 3：放大显示阻尼

　　供电抑制优点

　　根据定义，闭环系统使用反馈来使系统响应不受外部干扰的影响 [2]。开环系统不包含任何反馈机制，若要发挥开环的性能，必须将外部干扰减至最低。

　　对于音频放大器而言，其中一个主要的外部干扰来自电源供应。透过电容或使用专属切换式电源供应 (以反馈确保稳定输出电压)，即可将干扰减至最低。在 LCD 电视中，不透过无干扰切换式电源供应，而直接以 +12V 或 +24V 背光电源供应驱动音频放大器，即可大幅减少系统成本。

　　一般是以电源抑制来衡量放大器是否能够抑制电源供应干扰;不过，这种技术无法突显桥接输出配置的闭环系统与开环系统的优点。这种技术将输出接地至放大器，并且在 DC 电源供应上增加频率组件，以调变电源供应。在开环系统中，输入电压与内送的电源供应涟波相互混合 (图 4)。在零输入时，不会出现混合情形，而且桥接负载上各个输出的干扰都会被消除。在含有正弦曲线输入频率的实时音频系统中，输入频率会与电源供应涟波相互混合，而造成音频频带出现噪声及失真。开环放大器的增益也可使用电源供应涟波加以调变。该效果可从图 5 的总谐波失真及噪声 (THD+N) 曲线图看出，该图将闭环放大器与开环放大器进行相互比较。

　　在图 5 中，100Hz 正弦波施加于各个系统的输入，并且增加输入电压，以描绘 THD+N 与 8Ohm 负载的输出功率。使用的电源供应是现成的 12V 切换稳压器。驱动 5W 输出功率进入负载时，在各个放大器的输入端所测得的输入涟波为 300mVp。由于电源供应的需求导致电压涟波增加，开环系统及闭环系统的 THD+N 差异随之增加。这种现象在较低频率更为明显，因为稳压器难以修正较大的输出摆幅。

　　总结来说，在设计音频电路专用的严格控制系统电源供应时，闭环系统能够让音频电路设计人员在不增加时间或成本支出的情况下提升音频性能。

　　

 

　　图 4：开环示意图

　　

 

　　图 5：THD+N 与电源比较 – 开环及闭环放大器

　　为何选择 EMC?

　　此外，闭环系统能够使输出转换的升降边缘趋缓，完全不影响总谐波失真或回转率控制。其中闸极驱动器缓慢地从关闭状态转换为开启状态，因此 EMC测量中出现更为减弱的系统响应 (较低 dV/dt) 及更低的峰值。

　　失效时间是造成 D 类放大器总谐波失真的关键因素，这是输出半桥的两个 MOSFET 同时处于关闭状态的时间。在开环系统中，两个输出 MOSFET 的失效时间必须相同，才能避免二阶效应。若要将失效时间减至最低，脉冲宽度调变 (PWM) 输出边缘的升降会极快地转换。图 6 比较一般开环放大器 (以 2.4 纳秒测量) (6a) 及闭环装置 (以 10 纳秒测量) (6b) 的上升时间。值得注意的是范围撷取的 EMC 因素 – 大量过冲的快速上升边缘。

　　整合输入信号 (所需输出响应) 与实际输出回应以及较缓慢边缘转换，闭环放大器的反馈即可针对较缓慢边缘转换进行修正。

　　在图 7 中，EMC 的图比较了开环放大器与闭环放大器。由于不当的电路板配置对于 EMC 性能极具影响，因此电路板配置与实验相符。另外值得注意的是，闭环放大器的频谱仅以输出的 LC 滤波器加以测量。开环放大器具有额外的缓冲电路，其中包含各个输出中限制 dV/dt 的 R 及 C。缓冲电路不仅增加所需的用料清单 (BOM)，也增加所需的电路板空间。对于高成本的四层电路板，减少使用的电路板空间极为重要。避免将工程时间用于 EMC 除错电路板上，也可节省时间及成本。

　　

 

　　图 6：开环反应 (6a) 及闭环回应 (6b) 的范围撷取

　　

 

　　图 7：闭环放大器及开环放大器的 EMC 性能

　　摘要

　　总结而言，本文呈现高清电视市场中闭环放大器的三个主要优点：更高的阻尼系数、更佳的电源噪声抗扰性 (亦即更优质的电源涟波抑制比 (PSRR)) 以及更高的 EMC 性能。

　　随着市场从模拟输入 D 类音频转换到数字输入放大器的趋势，TAS5706 D 类放大器这类的闭环装置，以及 TAS5601 与 TAS5602 PWM 功率级，能够使设备制造商以整合式解决方案来提升性能、降低成本，并缩短上市时间。