供電抑制比 (PSRR)與開環(huán)閉環(huán) D 類放大器

摘要：開環(huán)閉環(huán) D 類放大器逐漸成為消費性音頻電子設(shè)計人員的優(yōu)先選擇，若要準(zhǔn)確地掌握放大器的性能，就需要不同的方式來檢視電源紋波的效果?，F(xiàn)在的音頻設(shè)計人員非常重視降低系統(tǒng)成本、縮小體積以及提升音質(zhì)，而這些都需要高度供電噪音抑制架構(gòu)才能達(dá)成，然而，供電抑制比 (PSRR) 測量無法準(zhǔn)確判別 D 類橋接負(fù)載 (BTL) 放大器的性能。本文將探討傳統(tǒng)的 PSRR 規(guī)格及測量技術(shù)，并說明其何以無法確切地測得放大器的供電抑制功能，此外，文中還將提供另一種方式來檢視放大器音頻性能中的電源紋波效應(yīng)。

長久以來，供電抑制比 (PSRR) 一直是評定放大器是否能抑制輸出端電源噪音的絕佳方式，然而，隨著 D 類放大器的普及與性能優(yōu)勢，光靠 PSRR 做為供電噪音抑制的指標(biāo)已顯不足。比較開環(huán)閉環(huán)數(shù)字輸入 I2S 放大器的 PSRR 規(guī)格時，這點尤其明顯。PSRR 規(guī)格大多相同，不過，聆聽采用非理想電源供應(yīng)的放大器所發(fā)出的音質(zhì)時，即可明顯地判別出音質(zhì)的差異。本文將概述傳統(tǒng)的 PSRR 測量方式，并說明這種測量方式何以無法確切判斷橋接負(fù)載 (BTL) 配置中 D 類放大器的供電抑制性能，同時提供能有效測量 D 類放大器之中供電噪音效應(yīng)的替代方法。

若要了解 PSRR 測量何以不再能確切判別供電抑制性能，必須先回顧 AB 類放大器主導(dǎo)消費性音頻電子產(chǎn)品的那段歷史。AB 類放大器過去的配置都采用單端 (SE) 或 BTL 輸出配置，這與現(xiàn)今的配置相同。事實上，SE AB 類放大器一般都使用分支軌電源 (split rail supply) (亦即 +/- 12V)，因為電源供應(yīng)主要采用變壓器的型態(tài)，而且加入第二個軌不會導(dǎo)致成本負(fù)擔(dān)。BTL 配置較常用于非分支軌電源的音頻系統(tǒng)。然而，不論是 SE 或 BTL 配置，通過 AB 類放大器的基本架構(gòu)以及低于電源軌電壓的輸出電壓，AB 類放大器都能達(dá)到良好的 PSRR。

針對 AB 類放大器，PSRR 測量能夠較準(zhǔn)確地指出放大器抑制電源噪音的能力，尤其是對于 SE 配置 (詳見下文)。首先讓我們來了解 D 類放大器對于市場的影響。D 類放大器的高效運作改變了市場的生態(tài)，使得工業(yè)設(shè)計出現(xiàn)大量的創(chuàng)新，尤其是體積尺寸的縮減。然而，這類放大器的架構(gòu)與 AB 類放大器有根本上的差異，而且?guī)缀跚逡簧剡x用 BTL 作為其輸出配置。

在 BTL 配置中，D 類放大器具備由四個 FETS 組成的兩個輸出級 (也稱為全橋式)。SE D 類放大器則只有由兩個 FETS 組成的單一輸出級 (也稱為半橋式)。相較于 SE 配置，BTL 輸出配置具有多項優(yōu)點，包括特定電源軌的四倍輸出功率、較佳的低音回應(yīng)，以及絕佳的開關(guān)噪音抑制性能。BTL 架構(gòu)的缺點則是需要兩倍數(shù)量的 FET 電晶體，這表示晶粒的大小尺寸及相關(guān)成本增加，而且重建濾波器 (LC 濾波器) 的成本加倍。在現(xiàn)今 SE 及 BTL D 類放大器并行的市場中，BTL 占了絕大多數(shù)。

在 D 類 BTL 配置中，傳統(tǒng)的 PSRR 測量無法發(fā)揮效用。為了深入了解其中的原因，就必須先了解 D 類放大器的運作方式以及 PSRR 的測量方式。D 類放大器是切換放大器，輸出會以極高的頻率在軌與軌之間切換，而此頻率一般在 250kHz 以上。音頻會用來進行切換頻率 (方波) 的脈沖寬度調(diào)變 (PWM)，然后重建濾波器 (LC 濾波器) 會用來擷取載波頻率中的音頻。這類切換架構(gòu)的性能相當(dāng)高 (架構(gòu)與開關(guān)模式電源供應(yīng)相同)，但是對于供電噪音的敏感度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的 AB 類放大器。再仔細(xì)想想，放大器的輸出基本上是電源軌 (經(jīng)過脈沖寬度調(diào)變)，因此任何出現(xiàn)的供電噪音都會直接傳送到放大器的輸出。

供電抑制比 (PSRR) 是測定放大器抑制供電噪音 (亦即紋波) 達(dá)到何種程度的測量方式。這是選用音頻放大器時必須考慮的重要參數(shù)，因為 PSRR 不佳的音頻放大器通常需要高成本的電源供應(yīng)及/或大型去耦合電容。在消費市場中，電源供應(yīng)的成本、尺寸及重量是重要的設(shè)計考慮，尤其在體積外型不斷縮小、價格急速下滑，而且便攜式設(shè)計日益普遍的情況下更是如此。

在傳統(tǒng)的 PSRR 測量中，放大器的電源電壓包含 DC 電壓及 AC 紋波信號 (Vripple)。音頻輸出為 AC 接地，因此測量期間不會有任何音頻。由于所有的電源電壓去耦合電容都已移除，因此 Vripple 不會明顯減弱 (圖 1)。此時會測量輸出信號，然后使用等式 1 計算 PSRR：

等式 (1)

圖 1. 傳統(tǒng)的 PSRR 測量

圖 2 顯示在 D 類 BTL 音頻放大器上進行的傳統(tǒng) PSRR 測量。重建濾波器前后的輸出明顯出現(xiàn)供電噪音，不過，請注意出現(xiàn)的噪音在負(fù)載中為同相位 (in-phase)。因此，測量 PSRR 時，Vout+ 與 Vout- 紋波會相互抵消，產(chǎn)生出供電抑制的錯誤指示，但是，可以清楚地看到放大器正將電源噪音直接傳送到輸出。這類 PSRR 測量無法指出放大器抑制供電噪音的優(yōu)劣程度，而 PSRR 測量無法發(fā)揮效用的主因是輸入在測量期間為 AC 接地。在實際應(yīng)用中，放大器的功用是播放音樂，這正是必須考慮的部分。