HDTV市場中數字性能的閉環分析

摘要：本文是針對閉環架構的高級概覽，文中論述了其在 HDTV 領域具有的三個主要優勢：更高的阻尼因子、更好的電源噪聲抗擾度和更高的 EMC 性能。

關鍵詞：音頻；D 類放大器；TAS5706；TAS5601；TAS5602

　　Ryan Kehr 現為 TI 科技委員會成員兼TV 音頻產品新產品定義經理，在音頻領域具有 8 年豐富工作經驗。
　　Michael Firth 現任TI公司 TV 音頻產品市場營銷經理。

　　高清電視 (HDTV) 領域中閉環音頻架構的諸多優勢已得到廣泛印證，且絕大多數模擬輸入 D 類放大器均采用閉環架構。由于該市場正向數字輸入放大器 (I2S/PCM Serial I/Fs) 轉換，降低成本、加速產品上市進程和性能提升的壓力也正不斷增加，為此閉環架構變得更加引人注目。本文是針對閉環架構的高級概覽，文中論述了其在 HDTV 領域具有的三個主要優勢：更高的阻尼因子、更好的電源噪聲抗擾度和更高的 EMC 性能。

閉環架構概述

　　在音頻領域，對于閉環和開環架構的激烈爭論已經持續數年之久。根據終端應用或用戶喜好的不同，可以得出對于這兩種架構正確的論點。在 HDTV 領域，閉環放大器已經被證明是毫無疑問的勝出者。但是，在高端音頻，關于這兩種架構的爭論仍然異常激烈。閉環架構的主要優勢包括更佳的線性度、增益穩定性，更高的帶寬，以及更低的輸出阻抗，但其也存在一些劣勢，主要包括存在降低穩定性、降低增益和增加復雜性的可能性。

　　從概念上來看，有助于我們考慮閉環放大器的“預失真”(參見圖 1)方面。放大器輸出由放大信號和由放大器或電源引入的所有非線性失真組成，反饋網絡對該放大器輸出進行采樣。接著，在同進入源信號重新組合之前，該輸出采樣被衰減和反向。求和節點(A 點)之外的總信號為一個受到衰減的輸入信號，同時在之前添加了放大器和電源非線性的區域存在反向“預失真”。此時，放大器增大信號，帶來非線性失真的增加。由于源信號經由反饋網絡遭受了預失真，因此您得到了一個預失真+失真的相互抵消的結果，從而產生了一個非常線性的信號。這是負反饋的主要優勢，由此您就擁有了一個在系統中動態地進行非線性調節的機制。在一個開環架構中，這種機制并不存在。因此，對于放大器線性度和電源調節的性能要求均非常高，其通常會帶來較高的成本和/或犧牲較多的性能。

圖 1 閉環結構圖

阻尼因子的優勢

　　阻尼因子是揚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條件下，其表明該放大器開始和停止揚聲器紙盆運動能力的好壞。高阻尼因子放大器通常可以再產生一個更加致密、精確的低音響應。

　　閉環放大器擁有一個非常低的輸出阻抗，相當于擁有一個高阻尼因子。在一個閉環系統中，通過增加電壓輸出對放大器輸出端電阻壓降進行反饋補償。增高輸出電壓的效果相當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揚聲器的更好控制，我們需要看一下一個揚聲器是如何工作的。假設您對揚聲器的各終端施加一個三周期的 80Hz 猝發模式信號。當將該信號施加到各終端時，其驅動一個電流流經音圈，這反過來會產生一個推動揚聲器紙盆來回運動的EMF。理想狀態下，一旦消除該信號，揚聲器紙盆會立即停止在其靜止位置。不幸的是，在使揚聲器紙盆運動停止前，我們已經將能量添加至必須被耗散或衰減的系統中。在揚聲器中有兩種阻尼：(1) 由揚聲器停止和振動膜空氣動力負載產生的機械阻尼；(2) 由揚聲器磁性材料產生的電子阻尼。機械阻尼屬性為揚聲器結構和所用材料作用的結果，而電子阻尼的屬性則為放大器阻尼因子直接影響的結果。

　　在移除信號以及揚聲器開始發聲以后，將產生一個欲停止揚聲器紙盆運動的“阻尼”后 EMF。通過放大器的輸出阻抗，該 EMF 會產生一個從一個終端至另一個終端的電流。阻抗越小，電流就越大，因此，阻尼 EMF 也就越強。總之，低輸出阻抗允許流過一個較大的后 EMF 電流，這樣反過來又在振鈴上施加了一個較強的阻尼力。

　　圖2~3顯示了一個閉環(紅紫色部分)和開環放大器(紅色部分)，該開環放大器驅動了一個 80Hz 猝發模式信號三周期的超低音揚聲器。振幅為 28V 峰至峰，同時 80Hz 信號接近該超低音揚聲器的諧振頻率。您可以清楚地看到，相比開環放大器，閉環放大器對振鈴的阻尼更加快速。除了更大的阻尼以外，同一個開環放大器相比，閉環放大器還可以更加快速地開始揚聲器紙盆的運動。

圖 2 80Hz 猝發模式的三個周期


圖 3 阻尼的放大

電源抑制優勢

　　由定義可知，一個閉環系統使用反饋來使系統響應具有對外界干擾的低敏感性。開環系統不包含該反饋機制。一個開環系統的相關性能完全依靠最小化外界干擾來實現。

　　在一個音頻放大器中，一個主要的外界干擾是電源。通過使用電容或者使用利用反饋來保證穩定輸出電壓的專用開關電源，可以使這種干擾最小化。在一個 LCD-TV 中，通過去除清潔的開關電源，同時直接使用 +12V或+24V背光電源來驅動音頻放大器，這樣就可以實現極大的系統成本節約。