HDTV市場中數字性能的閉環分析

　　對一個放大器抑制電源干擾能力的常用測量方法是電源抑制。不幸的是，這種測量技術并未突出表明在橋接輸出結構中閉環系統相對于開環系統的優勢。該技術將放大器輸入接地，同時通過在 DC 電源頂部增加一個頻率組件來對電源進行調制。在開環系統中，輸入電壓與進入電源紋波(參見圖4)混頻在一起。由于零輸入，因此沒有混頻發生，同時每一個輸出端上的干擾均被輕松地在橋接負載上被抵消掉。在正弦信號輸入頻率的現實音頻系統中，輸入頻率與電源紋波混頻，同時創建出音調和音頻帶失真。另外，開環放大器增益可以通過電源紋波進行調制。圖5中，以總諧波失真加噪聲(THD+N)掃描的形式顯示了這種效應，其中，將一個閉環放大器同一個開環放大器進行了對比。

圖 4 開環結構圖

　　圖5中，一個100Hz 正弦波被施加于所有系統的輸入端，同時該輸入電壓被增高以掃描 THD+N 曲線，與測得的 8W負載輸出功率形成了對比。所用電源為非定制 12V 開關調節器。當為負載提供 5W 輸出功率時，在 300mVp 條件下，測得在每一個放大器輸入端的輸出紋波。由于對電源的需求帶來更多的電壓紋波，因此開環和閉環系統之間的 THD+N 差異增加了。在那些調節器有大輸出擺幅校正困難的低頻率下，這一現象甚至更為明顯。

圖 5 THD+N 與功率的關系曲線—開環放大器與閉環放大器的對比

　　總之，閉環系統讓一個音頻電路設計人員可以獲得較高的音頻性能，無需在設計緊密的系統電源(特別是為音頻電路)上面花費更多的時間或金錢。

EMC優勢

　　閉環系統的另一個優勢是具有使輸出轉換上升沿和下降沿緩慢下來的能力，并且不包含總諧波失真或轉換率控制。這就是將柵極驅動器從關閉狀態緩慢地轉換至開啟狀態的情況，從而帶來一個更為緩慢的系統響應(更低的 dV/dt 響應)，以及在 EMC 測量中更低的峰值。

　　在 D類放大器中，無反應時間是產生總諧波失真的一個重要原因。當輸出 H 橋接中的兩個 MOSFET 均處于關閉狀態時，被定義為時間。在開環系統中，實現無反應時間在輸出 MOSFET 之間的匹配來避免二階效應至關重要。為了最小化無反應時間，脈寬調制 (PWM) 輸出上升沿或下降沿均在非常快的速率下進行轉換。圖 6 顯示了一個典型開環放大器(在 2.4ns 時進行測量)的上升時間，以及一個閉環器件(在10ns 時進行測量)的上升時間。請注意在示波器采集(隨較大過沖產生的快速上升沿)中產生 EMC 的一些原因。

圖 6 開環與閉環響應的示波器采集

　　在閉環放大器中，通過將輸入信號(理想輸出響應)和實際輸出響應之間的誤差與較慢的邊緣轉換相結合， 反饋可以對較慢的邊緣轉換進行校正。

　　圖 7 中，EMC 曲線圖對比了一個開環放大器和一個閉環放大器。由于不恰當的電路板布局是影響 EMC 性能的一個重要因素，因此此處的電路板布局要與本實驗非常匹配。另外，需要注意的是，該閉環放大器的頻譜僅通過一個輸出端 LC 濾波器來測量。開環放大器在每一個輸出端上都擁有更多由一個 R 和 C 組成的緩沖電路，用于限制 dV/dt。緩沖電路不僅增加了系統材料清單 (BOM)，同時還增大了電路板面積。在昂貴的四層電路板上減少電路板面積至關重要。如果工程時間沒有被花費在 EMC 室進行電路板調試，則不但節省了時間，而且還節省了成本。

圖 7 閉環放大器與開環放大器的 EMC 性能對比

結語

　　總之，閉環放大器在 HDTV 市場中具有三個主要的優勢：較高的阻尼因子、較好的電源噪聲抗擾度(即較高的電源紋波抑制比，或 PSRR)，以及較高的 EMC 性能。隨著從模擬輸入 D 類音頻放大器向數字輸入放大器的過渡，一些閉環器件(例如TAS5706 D類放大器、TAS5601 及 TAS5602 PWM  功率級)正為設備廠商們提供更高的性能、更低的成本和更短的產品上市時間。

參考文獻：

　　1.  Albert Paul Malvino，電子原理，第 4 版，1989 年版
　　2.  Katsuhiko Ogata，現代控制工程，第 3 版，1997 年版