HDTV市場(chǎng)中數(shù)字性能的閉環(huán)分析

摘要：本文是針對(duì)閉環(huán)架構(gòu)的高級(jí)概覽，文中論述了其在 HDTV 領(lǐng)域具有的三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：更高的阻尼因子、更好的電源噪聲抗擾度和更高的 EMC 性能。

關(guān)鍵詞：音頻；D 類放大器；TAS5706；TAS5601；TAS5602

　　Ryan Kehr 現(xiàn)為 TI 科技委員會(huì)成員兼TV 音頻產(chǎn)品新產(chǎn)品定義經(jīng)理，在音頻領(lǐng)域具有 8 年豐富工作經(jīng)驗(yàn)。
　　Michael Firth 現(xiàn)任TI公司 TV 音頻產(chǎn)品市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理。

　　高清電視 (HDTV) 領(lǐng)域中閉環(huán)音頻架構(gòu)的諸多優(yōu)勢(shì)已得到廣泛印證，且絕大多數(shù)模擬輸入 D 類放大器均采用閉環(huán)架構(gòu)。由于該市場(chǎng)正向數(shù)字輸入放大器 (I2S/PCM Serial I/Fs) 轉(zhuǎn)換，降低成本、加速產(chǎn)品上市進(jìn)程和性能提升的壓力也正不斷增加，為此閉環(huán)架構(gòu)變得更加引人注目。本文是針對(duì)閉環(huán)架構(gòu)的高級(jí)概覽，文中論述了其在 HDTV 領(lǐng)域具有的三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：更高的阻尼因子、更好的電源噪聲抗擾度和更高的 EMC 性能。

閉環(huán)架構(gòu)概述

　　在音頻領(lǐng)域，對(duì)于閉環(huán)和開環(huán)架構(gòu)的激烈爭(zhēng)論已經(jīng)持續(xù)數(shù)年之久。根據(jù)終端應(yīng)用或用戶喜好的不同，可以得出對(duì)于這兩種架構(gòu)正確的論點(diǎn)。在 HDTV 領(lǐng)域，閉環(huán)放大器已經(jīng)被證明是毫無(wú)疑問(wèn)的勝出者。但是，在高端音頻，關(guān)于這兩種架構(gòu)的爭(zhēng)論仍然異常激烈。閉環(huán)架構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)包括更佳的線性度、增益穩(wěn)定性，更高的帶寬，以及更低的輸出阻抗，但其也存在一些劣勢(shì)，主要包括存在降低穩(wěn)定性、降低增益和增加復(fù)雜性的可能性。

　　從概念上來(lái)看，有助于我們考慮閉環(huán)放大器的“預(yù)失真”(參見圖 1)方面。放大器輸出由放大信號(hào)和由放大器或電源引入的所有非線性失真組成，反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)該放大器輸出進(jìn)行采樣。接著，在同進(jìn)入源信號(hào)重新組合之前，該輸出采樣被衰減和反向。求和節(jié)點(diǎn)(A 點(diǎn))之外的總信號(hào)為一個(gè)受到衰減的輸入信號(hào)，同時(shí)在之前添加了放大器和電源非線性的區(qū)域存在反向“預(yù)失真”。此時(shí)，放大器增大信號(hào)，帶來(lái)非線性失真的增加。由于源信號(hào)經(jīng)由反饋網(wǎng)絡(luò)遭受了預(yù)失真，因此您得到了一個(gè)預(yù)失真+失真的相互抵消的結(jié)果，從而產(chǎn)生了一個(gè)非常線性的信號(hào)。這是負(fù)反饋的主要優(yōu)勢(shì)，由此您就擁有了一個(gè)在系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)地進(jìn)行非線性調(diào)節(jié)的機(jī)制。在一個(gè)開環(huán)架構(gòu)中，這種機(jī)制并不存在。因此，對(duì)于放大器線性度和電源調(diào)節(jié)的性能要求均非常高，其通常會(huì)帶來(lái)較高的成本和/或犧牲較多的性能。

圖 1 閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖

阻尼因子的優(yōu)勢(shì)

　　阻尼因子是揚(yáng)聲器阻抗與放大器輸出阻抗的比率。尤其是在低頻率和瞬態(tài)條件下，其表明該放大器開始和停止揚(yáng)聲器紙盆運(yùn)動(dòng)能力的好壞。高阻尼因子放大器通常可以再產(chǎn)生一個(gè)更加致密、精確的低音響應(yīng)。

　　閉環(huán)放大器擁有一個(gè)非常低的輸出阻抗，相當(dāng)于擁有一個(gè)高阻尼因子。在一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中，通過(guò)增加電壓輸出對(duì)放大器輸出端電阻壓降進(jìn)行反饋補(bǔ)償。增高輸出電壓的效果相當(dāng)于降低了反饋放大器的輸出阻抗。

　　為了更好地理解低輸出阻抗如何提供對(duì)揚(yáng)聲器的更好控制，我們需要看一下一個(gè)揚(yáng)聲器是如何工作的。假設(shè)您對(duì)揚(yáng)聲器的各終端施加一個(gè)三周期的 80Hz 猝發(fā)模式信號(hào)。當(dāng)將該信號(hào)施加到各終端時(shí)，其驅(qū)動(dòng)一個(gè)電流流經(jīng)音圈，這反過(guò)來(lái)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)推動(dòng)揚(yáng)聲器紙盆來(lái)回運(yùn)動(dòng)的EMF。理想狀態(tài)下，一旦消除該信號(hào)，揚(yáng)聲器紙盆會(huì)立即停止在其靜止位置。不幸的是，在使揚(yáng)聲器紙盆運(yùn)動(dòng)停止前，我們已經(jīng)將能量添加至必須被耗散或衰減的系統(tǒng)中。在揚(yáng)聲器中有兩種阻尼：(1) 由揚(yáng)聲器停止和振動(dòng)膜空氣動(dòng)力負(fù)載產(chǎn)生的機(jī)械阻尼；(2) 由揚(yáng)聲器磁性材料產(chǎn)生的電子阻尼。機(jī)械阻尼屬性為揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)和所用材料作用的結(jié)果，而電子阻尼的屬性則為放大器阻尼因子直接影響的結(jié)果。

　　在移除信號(hào)以及揚(yáng)聲器開始發(fā)聲以后，將產(chǎn)生一個(gè)欲停止揚(yáng)聲器紙盆運(yùn)動(dòng)的“阻尼”后 EMF。通過(guò)放大器的輸出阻抗，該 EMF 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從一個(gè)終端至另一個(gè)終端的電流。阻抗越小，電流就越大，因此，阻尼 EMF 也就越強(qiáng)?？傊洼敵鲎杩乖试S流過(guò)一個(gè)較大的后 EMF 電流，這樣反過(guò)來(lái)又在振鈴上施加了一個(gè)較強(qiáng)的阻尼力。

　　圖2~3顯示了一個(gè)閉環(huán)(紅紫色部分)和開環(huán)放大器(紅色部分)，該開環(huán)放大器驅(qū)動(dòng)了一個(gè) 80Hz 猝發(fā)模式信號(hào)三周期的超低音揚(yáng)聲器。振幅為 28V 峰至峰，同時(shí) 80Hz 信號(hào)接近該超低音揚(yáng)聲器的諧振頻率。您可以清楚地看到，相比開環(huán)放大器，閉環(huán)放大器對(duì)振鈴的阻尼更加快速。除了更大的阻尼以外，同一個(gè)開環(huán)放大器相比，閉環(huán)放大器還可以更加快速地開始揚(yáng)聲器紙盆的運(yùn)動(dòng)。

圖 2 80Hz 猝發(fā)模式的三個(gè)周期


圖 3 阻尼的放大

電源抑制優(yōu)勢(shì)

　　由定義可知，一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)使用反饋來(lái)使系統(tǒng)響應(yīng)具有對(duì)外界干擾的低敏感性。開環(huán)系統(tǒng)不包含該反饋機(jī)制。一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)的相關(guān)性能完全依靠最小化外界干擾來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　在一個(gè)音頻放大器中，一個(gè)主要的外界干擾是電源。通過(guò)使用電容或者使用利用反饋來(lái)保證穩(wěn)定輸出電壓的專用開關(guān)電源，可以使這種干擾最小化。在一個(gè) LCD-TV 中，通過(guò)去除清潔的開關(guān)電源，同時(shí)直接使用 +12V或+24V背光電源來(lái)驅(qū)動(dòng)音頻放大器，這樣就可以實(shí)現(xiàn)極大的系統(tǒng)成本節(jié)約。