HDTV市場(chǎng)中數(shù)字性能的閉環(huán)分析

　　對(duì)一個(gè)放大器抑制電源干擾能力的常用測(cè)量方法是電源抑制。不幸的是，這種測(cè)量技術(shù)并未突出表明在橋接輸出結(jié)構(gòu)中閉環(huán)系統(tǒng)相對(duì)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)將放大器輸入接地，同時(shí)通過(guò)在 DC 電源頂部增加一個(gè)頻率組件來(lái)對(duì)電源進(jìn)行調(diào)制。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，輸入電壓與進(jìn)入電源紋波(參見(jiàn)圖4)混頻在一起。由于零輸入，因此沒(méi)有混頻發(fā)生，同時(shí)每一個(gè)輸出端上的干擾均被輕松地在橋接負(fù)載上被抵消掉。在正弦信號(hào)輸入頻率的現(xiàn)實(shí)音頻系統(tǒng)中，輸入頻率與電源紋波混頻，同時(shí)創(chuàng)建出音調(diào)和音頻帶失真。另外，開(kāi)環(huán)放大器增益可以通過(guò)電源紋波進(jìn)行調(diào)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(yīng)，其中，將一個(gè)閉環(huán)放大器同一個(gè)開(kāi)環(huán)放大器進(jìn)行了對(duì)比。

圖 4 開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)圖

　　圖5中，一個(gè)100Hz 正弦波被施加于所有系統(tǒng)的輸入端，同時(shí)該輸入電壓被增高以?huà)呙?THD+N 曲線(xiàn)，與測(cè)得的 8W負(fù)載輸出功率形成了對(duì)比。所用電源為非定制 12V 開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器。當(dāng)為負(fù)載提供 5W 輸出功率時(shí)，在 300mVp 條件下，測(cè)得在每一個(gè)放大器輸入端的輸出紋波。由于對(duì)電源的需求帶來(lái)更多的電壓紋波，因此開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)之間的 THD+N 差異增加了。在那些調(diào)節(jié)器有大輸出擺幅校正困難的低頻率下，這一現(xiàn)象甚至更為明顯。

圖 5 THD+N 與功率的關(guān)系曲線(xiàn)—開(kāi)環(huán)放大器與閉環(huán)放大器的對(duì)比

　　總之，閉環(huán)系統(tǒng)讓一個(gè)音頻電路設(shè)計(jì)人員可以獲得較高的音頻性能，無(wú)需在設(shè)計(jì)緊密的系統(tǒng)電源(特別是為音頻電路)上面花費(fèi)更多的時(shí)間或金錢(qián)。

EMC優(yōu)勢(shì)

　　閉環(huán)系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是具有使輸出轉(zhuǎn)換上升沿和下降沿緩慢下來(lái)的能力，并且不包含總諧波失真或轉(zhuǎn)換率控制。這就是將柵極驅(qū)動(dòng)器從關(guān)閉狀態(tài)緩慢地轉(zhuǎn)換至開(kāi)啟狀態(tài)的情況，從而帶來(lái)一個(gè)更為緩慢的系統(tǒng)響應(yīng)(更低的 dV/dt 響應(yīng))，以及在 EMC 測(cè)量中更低的峰值。

　　在 D類(lèi)放大器中，無(wú)反應(yīng)時(shí)間是產(chǎn)生總諧波失真的一個(gè)重要原因。當(dāng)輸出 H 橋接中的兩個(gè) MOSFET 均處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，被定義為時(shí)間。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)無(wú)反應(yīng)時(shí)間在輸出 MOSFET 之間的匹配來(lái)避免二階效應(yīng)至關(guān)重要。為了最小化無(wú)反應(yīng)時(shí)間，脈寬調(diào)制 (PWM) 輸出上升沿或下降沿均在非常快的速率下進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖 6 顯示了一個(gè)典型開(kāi)環(huán)放大器(在 2.4ns 時(shí)進(jìn)行測(cè)量)的上升時(shí)間，以及一個(gè)閉環(huán)器件(在10ns 時(shí)進(jìn)行測(cè)量)的上升時(shí)間。請(qǐng)注意在示波器采集(隨較大過(guò)沖產(chǎn)生的快速上升沿)中產(chǎn)生 EMC 的一些原因。

圖 6 開(kāi)環(huán)與閉環(huán)響應(yīng)的示波器采集

　　在閉環(huán)放大器中，通過(guò)將輸入信號(hào)(理想輸出響應(yīng))和實(shí)際輸出響應(yīng)之間的誤差與較慢的邊緣轉(zhuǎn)換相結(jié)合， 反饋可以對(duì)較慢的邊緣轉(zhuǎn)換進(jìn)行校正。

　　圖 7 中，EMC 曲線(xiàn)圖對(duì)比了一個(gè)開(kāi)環(huán)放大器和一個(gè)閉環(huán)放大器。由于不恰當(dāng)?shù)碾娐钒宀季质怯绊?EMC 性能的一個(gè)重要因素，因此此處的電路板布局要與本實(shí)驗(yàn)非常匹配。另外，需要注意的是，該閉環(huán)放大器的頻譜僅通過(guò)一個(gè)輸出端 LC 濾波器來(lái)測(cè)量。開(kāi)環(huán)放大器在每一個(gè)輸出端上都擁有更多由一個(gè) 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(tǒng)材料清單 (BOM)，同時(shí)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(guān)重要。如果工程時(shí)間沒(méi)有被花費(fèi)在 EMC 室進(jìn)行電路板調(diào)試，則不但節(jié)省了時(shí)間，而且還節(jié)省了成本。

圖 7 閉環(huán)放大器與開(kāi)環(huán)放大器的 EMC 性能對(duì)比

結(jié)語(yǔ)

　　總之，閉環(huán)放大器在 HDTV 市場(chǎng)中具有三個(gè)主要的優(yōu)勢(shì)：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(lèi)音頻放大器向數(shù)字輸入放大器的過(guò)渡，一些閉環(huán)器件(例如TAS5706 D類(lèi)放大器、TAS5601 及 TAS5602 PWM  功率級(jí))正為設(shè)備廠商們提供更高的性能、更低的成本和更短的產(chǎn)品上市時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

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