PSRR：關(guān)于開(kāi)環(huán)閉環(huán)D類(lèi)放大器

PSRR：關(guān)于開(kāi)環(huán)閉環(huán)D類(lèi)放大器

過(guò)去，電源抑制比(PSRR)就已成為一種測(cè)量放大器抑制電源輸出噪聲性能的優(yōu)異測(cè)量方法。但是，由于出現(xiàn)了越來(lái)越多的D類(lèi)放大器，以及其擁有的效率優(yōu)勢(shì)，僅僅依靠PSRR作為電源噪聲抑制性能的指示器已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。相比開(kāi)環(huán)閉環(huán)數(shù)字輸入I2S放大器的PSRR規(guī)范，這一情況愈加明顯。很多時(shí)候，PSRR規(guī)范是一樣的，但當(dāng)監(jiān)聽(tīng)低于理想電源的放大器時(shí)，很明顯會(huì)存在音頻性能差異。本文縱覽了傳統(tǒng)的PSRR測(cè)量方法，并解釋了其不能完全捕獲橋接式負(fù)載(BTL)結(jié)構(gòu)中D類(lèi)放大器電源抑制性能的原因，并介紹了一種測(cè)量D類(lèi)放大器中電源噪聲影響大小的替代方法。

　　要想了解PSRR測(cè)量方法無(wú)法能夠充分地捕獲電源抑制性能的原因，我們需要回顧到AB類(lèi)放大器統(tǒng)治消費(fèi)類(lèi)音頻電子設(shè)備的時(shí)代。同今天的情況一樣，AB類(lèi)放大器一般配置在一個(gè)單端(SE)或BTL輸出結(jié)構(gòu)中。實(shí)際上，SE AB類(lèi)放大器擁有分裂軌電源(即±12V)是十分普遍的事，因?yàn)殡娫粗饕蓟谧儔浩?，而且增加第二個(gè)軌的成本也不是特別高。BTL結(jié)構(gòu)更多地用于那些沒(méi)有分裂軌電源的音頻系統(tǒng)中。不管是SE還是BTL結(jié)構(gòu)，AB類(lèi)放大器本身都擁有良好的PSRR，這是因?yàn)槠浠炯軜?gòu)以及通常大大低于電源軌電壓的輸出電平。

　　就AB類(lèi)放大器而言，PSRR測(cè)量方法可以相對(duì)較好地顯示放大器抑制電源噪聲的性能，而就SE結(jié)構(gòu)而言，就需要特別精確的放大器電源噪聲抑制性能(我們后面再展開(kāi)詳細(xì)討論)。我們將時(shí)間向前推，便會(huì)發(fā)現(xiàn)D類(lèi)放大器在當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)上風(fēng)靡一時(shí)。它們以極高效率的運(yùn)行改變了市場(chǎng)形態(tài)，從而在工業(yè)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)大的創(chuàng)新，特別是在更小的尺寸方面。但是，相比AB類(lèi)放大器，它們的架構(gòu)都存在根本的不同，同時(shí)它們的輸出結(jié)構(gòu)選擇幾乎只有BTL。

　　在BTL結(jié)構(gòu)中，D類(lèi)放大器具有兩個(gè)輸出級(jí)，其由4個(gè)FETS組成(也被稱(chēng)作全橋接)。而SE D類(lèi)放大器只有一個(gè)輸出級(jí)，由兩個(gè)FETS組成(也被稱(chēng)作半橋接)。相比SE結(jié)構(gòu)，BTL輸出結(jié)構(gòu)擁有諸多優(yōu)勢(shì)，其中包括給定在電源軌情況下的4倍輸出功率，更好的低音響應(yīng)，以及卓越的開(kāi)/關(guān)咔嗒和噼噗聲性能。BTL架構(gòu)存在的一些缺點(diǎn)是您需要兩倍數(shù)目的FET晶體管。這就意味著更大的硅芯片尺寸和更高的相關(guān)成本，并且重建濾波器(LC濾波器)成本也要翻倍。在今天的市場(chǎng)中，盡管SE和BTLD類(lèi)放大器都可以看到，但大多數(shù)還是BTL。

　　在D類(lèi)BTL結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)的PSRR測(cè)量方法就無(wú)能為力了。要想更好地了解其原因，就需要了解D類(lèi)放大器的工作原理，以及PSRR是如何測(cè)量出來(lái)的。D類(lèi)放大器為開(kāi)關(guān)放大器，其輸出在極高的頻率下(通常為250kHz或者更高)進(jìn)行軌至軌切換。音頻信號(hào)用于脈寬調(diào)制(PWM)該開(kāi)關(guān)頻率(方波)。然后，重建濾波器(LC濾波器)用于從載波頻率提取音頻信號(hào)。這些開(kāi)關(guān)架構(gòu)均極為高效(在一些開(kāi)關(guān)式電源中也采用相同結(jié)構(gòu))，但是相比傳統(tǒng)的AB類(lèi)放大器它們對(duì)電源噪聲更為敏感。仔細(xì)思考一下就不難發(fā)現(xiàn)：放大器的輸出實(shí)質(zhì)上就是電源軌(脈寬調(diào)制)，因此所有電源噪聲都直接被傳遞給了放大器輸出。

　　電源抑制比(PSRR)是一種衡量放大器抑制電源噪聲(即紋波)性能好壞的度量標(biāo)準(zhǔn)。在選擇音頻放大器時(shí)它是一個(gè)重要的參數(shù)，因?yàn)榈?font color=#000000>PSRR的音頻放大器一般要求更高成本的電源和/或大去耦電容。在消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)上，電源成本、尺寸和重量都是重要的設(shè)計(jì)考慮因素，特別是在產(chǎn)品尺寸不斷縮小、價(jià)格迅速下跌以及便攜式設(shè)計(jì)日益普遍的情況下。

　　傳統(tǒng)的PSRR測(cè)量方法中，放大器的電源電壓由一個(gè)DC電壓和一個(gè)AC紋波信號(hào)(Vripple)組成。音頻輸入為AC接地，因此在測(cè)量時(shí)沒(méi)有音頻信號(hào)。所有電源電壓去耦電容都被去掉，以使Vripple不受人為衰減(請(qǐng)參見(jiàn)圖1)。然后，測(cè)量輸出信號(hào)，并使用方程式1計(jì)算得到PSRR：

　　但這種傳統(tǒng)PSRR測(cè)量方法使電源噪聲明顯存在于輸出端上，重建濾波器以前和以后均存在。PSRR測(cè)量方法并不能給我們?nèi)魏伪硎尽?font color=#000000>PSRR測(cè)量方法失效的原因是測(cè)量期間輸入AC接地。在現(xiàn)實(shí)情況中，放大器將播放音樂(lè)，這就是事情開(kāi)始變得有趣的地方。

　　播放音頻時(shí)，電源噪聲同進(jìn)入的音頻信號(hào)混頻/調(diào)制，同時(shí)其隨之產(chǎn)生的失真不同程度地傳遍音頻頻帶。BTL結(jié)構(gòu)固有的抵消效果不能再消除噪聲。業(yè)界給這種現(xiàn)象起了一個(gè)十分形象生動(dòng)的名稱(chēng)：互調(diào)失真(IMD)。IMD是兩種或兩種以上不同信號(hào)頻率混頻在一起的結(jié)果，其在一般不為任何一個(gè)諧波頻率(整數(shù)倍數(shù))上的頻率形成一些額外信號(hào)。

　　討論如何彌補(bǔ)PSRR測(cè)量方法的一些不足之前，讓我們首先討論一下反饋功能。如果您是喝著咖啡，一直跟隨本文的討論，那么您就不會(huì)為D類(lèi)放大器本身存在的一些電源噪聲問(wèn)題感到吃驚了。如果不是反饋功能，其便是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。(高端音頻應(yīng)用中，開(kāi)環(huán)放大器聽(tīng)起來(lái)不錯(cuò)，但那是另外一種情況了。它們一般都擁有非常穩(wěn)定、高性能的電源和極高的成本目標(biāo)。)為了補(bǔ)償電源噪聲敏感度，設(shè)計(jì)人員會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)具有高穩(wěn)定電源的系統(tǒng)(會(huì)增加成本)，或者使用一個(gè)具有反饋功能的D類(lèi)放大器(也稱(chēng)作閉環(huán)放大器)。

　　當(dāng)今，消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)上大多數(shù)模擬輸入D類(lèi)放大器均為閉環(huán)。但是，數(shù)字輸入I2S放大器卻是另外一種情況。I2S放大器直接通過(guò)一條數(shù)字總線連接音頻處理器或音頻源。通過(guò)去除不必要的數(shù)模轉(zhuǎn)換，不但可降低成本而且還可提高性能。遺憾的是，今天的市場(chǎng)上并沒(méi)有很多閉環(huán)I2S放大器，因?yàn)闃?gòu)建一個(gè)對(duì)PWM輸出采樣并將其同輸入I2S數(shù)字音頻流相加的反饋環(huán)路，是一件十分困難的事情。在模擬反饋系統(tǒng)中，您可將模擬輸出同模擬輸入相加，因此實(shí)施起來(lái)更為容易。但是，隨著I2S市場(chǎng)的發(fā)展，大多數(shù)I2S放大器都應(yīng)遵循與模擬輸入放大器一樣的發(fā)展道路，并采用反饋架構(gòu)。

　　很明顯，對(duì)于BTLD類(lèi)放大器來(lái)說(shuō)，PSRR并不是一種有效的電源抑制性能測(cè)量方法。那么，接下來(lái)做什么呢?還是回到那個(gè)生動(dòng)形象的聲音術(shù)語(yǔ)互調(diào)。我們需要測(cè)量播放音頻時(shí)產(chǎn)生的互調(diào)失真及其相應(yīng)的THD+N變量曲線。在這樣做以前，讓我們轉(zhuǎn)回到SE架構(gòu)。在SE架構(gòu)中，不管它是AB類(lèi)、D類(lèi)還是Z類(lèi)放大器，您都得不到BTL架構(gòu)的抵消效果，因?yàn)閾P(yáng)聲器的一端被連接到放大器，而另一端則接地。因此，在SE架構(gòu)中，傳統(tǒng)的PSRR測(cè)量方法具有較好的電源噪聲抑制指示，而不管是AB類(lèi)還是D類(lèi)放大器。

　　現(xiàn)在，讓我們進(jìn)到實(shí)驗(yàn)室中獲得一些數(shù)據(jù)。下面是一系列測(cè)量法，其中我們?cè)谝粋€(gè)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)I2S放大器中分析和對(duì)比了電源紋波IMD。將一個(gè)1kHz數(shù)字聲調(diào)注入到放大器的輸入端，同時(shí)將一個(gè)100Hz、500mVpp的紋波信號(hào)注入到電源。通過(guò)使用一個(gè)帶音頻精確度內(nèi)建FFT函數(shù)的差分輸出FFT來(lái)觀察IMD。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示一個(gè)閉環(huán)I2S放大器的IMD測(cè)量時(shí)，1kHz輸入信號(hào)時(shí)幾乎不存在邊帶。該反饋環(huán)路正出色地抑制互調(diào)失真。

　　另一個(gè)實(shí)驗(yàn)顯示了相同的IMD測(cè)量方法，但這次針對(duì)的是一個(gè)I2S開(kāi)環(huán)放大器。900Hz和1.1kHz邊帶均非常明顯，因?yàn)闆](méi)有反饋抑制IMD。

　　但是就音頻質(zhì)量而言，IMD并非是一種能夠給您諸多定性方法的簡(jiǎn)單的測(cè)量方法。一種選擇是進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，但現(xiàn)在卻是對(duì)THD+N變量曲線進(jìn)行測(cè)量，這也正是我們要在后面兩個(gè)測(cè)量方法中做的。利用一個(gè)1kHz數(shù)字音頻信號(hào)和500mVpp電源紋波對(duì)THD+N進(jìn)行測(cè)量。電源紋波頻率在50Hz到1kHz范圍內(nèi)變化。

　　圖2中，觀察不同電源紋波頻率下開(kāi)環(huán)部分的THD+N掃描。紅線表示電源沒(méi)有紋波的放大器性能，其代表理想狀況。其它曲線代表50Hz到1kHz之間變化的紋波頻率。請(qǐng)注意，紋波頻率增加時(shí)，失真影響的頻率帶寬也同時(shí)增加。請(qǐng)注意，開(kāi)環(huán)性能在穩(wěn)定電源環(huán)境中較好，但是這會(huì)增加成本，并且會(huì)在當(dāng)今這個(gè)消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品激烈競(jìng)爭(zhēng)的世界中處于不利地位。

　　觀察圖3所示的相同THD+N掃描，但現(xiàn)在針對(duì)的是閉環(huán)放大器。反饋功能將抑制互調(diào)失真，因此您沒(méi)有看到任何紋波噪聲對(duì)音頻性能的影響。

　　結(jié)論

　　本文中，我們回顧了測(cè)量PSRR的傳統(tǒng)方法，并說(shuō)明了其無(wú)法在BTLD類(lèi)放大器中測(cè)量電源紋波影響的原因。BTL輸出結(jié)構(gòu)的固有抵消效果，加上測(cè)量期間缺少音頻信號(hào)，從而產(chǎn)生一個(gè)虛假讀數(shù)。這是該規(guī)范的嚴(yán)重缺點(diǎn)，因?yàn)殡娫丛肼曇种菩阅茉谶x擇一個(gè)D類(lèi)放大器時(shí)是極其重要的，特別是在觀察數(shù)字輸入(I2S)閉環(huán)和開(kāi)環(huán)放大器之間的性能差異時(shí)。要想獲得更為精確的電源噪聲抑制圖像，您需要在輸入端注入一個(gè)1kHz音頻信號(hào)并在電源上注入噪聲來(lái)研究IMD和THD+N性能。最后，我們介紹了閉環(huán)D類(lèi)放大器是如何能夠?qū)﹄娫丛肼曔M(jìn)行補(bǔ)償?shù)?，而開(kāi)環(huán)放大器卻不能做到這一點(diǎn)。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)中，成本最為關(guān)鍵，閉環(huán)架構(gòu)可以降低系統(tǒng)成本是一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)考慮因素。