闭环放大器在HDTV的三大优势
Ofweek 2021-09-26

  在高清电视应用中,闭环音频架构的优势已得到充分证明,绝大多数模拟输入D类放大器都采用闭环结构。由于市场目前正转换到数字输入放大器(I2S、PCM、串行I/F)并面临着无时不在的成本、上市时间和性能强化的压力,采用闭环架构迫切性进一步增强。本文将对闭环架构进行宏观评述,并讨论其在高清电视领域中的三个主要优势:阻尼比更大、电源噪声抗扰度更高、电磁兼容性能更好。

 闭环架构概述

  在音频领域,对闭环架构和开环架构的激烈争论已持续多年。根据终端应用或用户偏爱,两种架构都有各自的优势。在HDTV领域,闭环放大器无疑已成为明显取胜;但在高端音频领域,争议仍在激烈进行。闭环架构的主要优势包括线性度提高、增益稳定性改善、带宽增大、输出阻抗降低,缺点包括稳定性有可能会降低、增益降低和复杂性增加。

  

  图1:闭环方框图

  在概念上,我们可以从“预失真”的角度来考虑闭环放大器(图1)。反馈网络对放大器输出采样,而输出中包含放大的信号和由放大器或电源引入的非线性失真。在与输入信号再次结合之前,提取的输出信号已被衰减和反相。求和节点(点A)输出的合成信号是输入信号与反馈信号之差,反馈信号包含对放大器和电源的非线性的预失真。放大器提高了信号的幅度并引入了非线性失真。因为输入信号通过反馈网络被预失真,预失真与失真形成对消效应,产生一个线性度非常好的信号。

  这是负反馈的基本优点,利用负反馈,我们有了对系统中非线性进行动态调整的机制。开环架构没有这个机制,对放大器的线性度和电源调节能力的性能要求都非常高,这通常造成成本增加和/或性能牺牲。

  阻尼比优势

  阻尼比是扬声器阻抗与放大器输出阻抗之比,它反映了放大器启停扬声器锥盆移动的能力,特别是在较低频率和瞬态期间。高阻尼比的放大器通常可再现出更严密准确的低音响应。

  闭环放大器输出阻抗非常低,而输出阻抗低则阻尼比高。在闭环系统中,反馈机制通过提高输出电压来补偿放大器在输出电阻上的电压降。(输出阻抗两端的电压降越大,返回到求和节点的反馈越小,因而,输出电压越大)。提高输出电压相当于降低反馈放大器的输出阻抗。

  为更好地理解低输出阻抗如何向扬声器提供更好的控制,我们需要了解扬声器是如何工作的。假设把一个三个周期的80Hz爆发模式信号施加到扬声器端子,当信号加到端子上时,它驱动电流流过声音线圈,声音线圈产生电动力(EMF)使扬声器锥盆来回移动。理想情况是,一旦信号消失,扬声器锥盆立即停止到其静止位置。遗憾的是,由于我们已经向系统中加入了能量,在停止扬声器锥盆移动之前必须先将能量耗散或衰减。

  在扬声器中存在两种阻尼:1) 通过扬声器的悬挂装置和振动膜上的空气负载产生的机械阻尼;2) 通过扬声器磁场产生的电气阻尼。机械阻尼是扬声器构造和所用材料的函数,而电气阻尼直接受到放大器阻尼比的影响。

  在信号消失而扬声器开始振荡之后,它产生一个试图使扬声器锥盆停止移动的阻尼性反向EMF。该EMF产生一个电流,从一个端子到另一个端子流过放大器输出阻抗。阻抗越小,电流越大——因而,阻尼EMF越强。总的来说,低输出阻抗可以形成较大的反向EMF电流,反过来对振荡施加强大的阻尼力。

  

  图2:3个周期的80Hz爆发模式信号

  图2显示了针对3个周期的80Hz爆发模式信号,用闭环(绛红色)和开环放大器(红色)驱动亚低音扩音器的结果。峰峰幅度为28V,而80Hz信号接近该亚低音扩音器的谐振频率。从图3可明显看出,闭环放大器能比开环放大器更快地使振荡减弱。除阻尼更大之外,同开环放大器相比,闭环放大器启动扬声器锥盆的速度也更快。

  

  图3:阻尼作用放大图

  电源扰动抑制优势

  根据定义,闭环系统利用反馈使系统响应不对外部扰动敏感。开环系统不包含反馈机制,完全依靠减小外部扰动来提高性能。

  对于音频放大器,一个重要的外部扰动是电源。我们可以使用电容、或通过利用反馈来保证输出电压稳定的专用开关电源来减小电源扰动。在液晶电视中,如能直接使用+12V或+24V背景光电源驱动音频放大器而不使用洁净的开关电源,则可大大节省系统成本。

  电源抗扰度测量是衡量放大器电源抗扰能力的常用方法。遗憾的是,在桥式输出架构中,这种测量技术没有很好地展现闭环系统相对于开环系统的优势。该技术把放大器的输入端接地,并通过增加某个频率成分到直流电源上来实现电源调制。

  

  图4:开环模块图

  在开环系统中,输入电压与电源引入的纹波混合(图4)。在零输入时,没有发生混合,各个输出上的扰动在桥式负载两端简单对消。在输入为正弦信号的实际音频系统中,输入频率与电源纹波混合并在音频波段产生声调和失真。开环放大器的增益也与电源纹波发生调制作用。这个效应可以在图5给出的闭环放大器与开环放大器总谐波失真加噪声(THD+N)对比中看到。

  

  图5:THD+N与功率的关系-开环和闭环放大器的对比

  在图5中,两个系统的输入端都加入了100Hz的正弦波,为获得THD+N与8欧负载上输出功率的关系,这里提高了输入电压。所用电源是现成的12V开关稳压器。当负载输出功率为5W时,在两个放大器的输入端测得的输出纹波均为300mVp。但由于开环系统对电源要求较高,开环系统存在较大的电压纹波,THD+N更大。在频率较低时,由于电压稳压器难以校正大幅度的输出摆动,这个现象更为显著。

  因而,闭环系统可以让音频者实现先进的音频性能,无需花费时间或金钱设计专用于音频电路的高精度系统电源。

  EMC好处

  闭环系统的另一个能力是减缓输出跃变的上升和下降沿,而不损害总谐波失真或回转率控制。由于栅极慢慢从截止(OFF)状态变换到导通(ON)状态,从而增大了系统响应阻尼(dV/dt更低)并降低了EMC测量结果的峰值。

  

  图6:示波器捕捉到的开环(上)与闭环响应(下)

  在D类放大器中,死区时间是影响总谐波失真大小的关键参数。死区时间定义为输出H桥的两个MOSFET都处于截止状态的时间。在开环系统中,要求保证两个输出MOSFET的死区时间相配以避免二阶效应。要减小死区时间,脉宽调制(PWM)输出边沿的升降速率应非常快。图6比较了典型的开环放大器(2.4ns)和闭环器件(10ns)的上升时间。请注意,在示波器捕捉到的响应曲线中,开环响应上升速度快但过冲很大,这对EMC影响很大。

  通过对输入信号(期望输出响应)和边沿变化较慢的实际输出响应之差进行积分,闭环放大器的反馈可以校正较慢的跃变边沿。

  开环与闭环EMC

  图7给出了开环和闭环放大器EMC性能的对比结果。鉴于板布局对EMC性能影响很大,实验中使用的两块板采用了非常接近的布局。

  

  图7:闭环放大器与开环放大器的EMC性能对比

  另需指出的是,闭环放大器的频谱是在输出端只有一个LC滤波器的情况下测得的。开环放大器在每个输出端上都包含由电阻和电容构成的缓冲电路以限制dV/dt。缓冲电路不仅提高了系统的材料成本(BOM),而且增大了板面积。考虑到4层板成本高昂,板面积减少具有重要意义。另外,无需在EMC实验室调试也节省了时间和金钱。

  结语

  综上,我们展示了闭环放大器在HDTV市场上的三个主要优势:阻尼比更大、电源噪声抗扰度更好(即电源纹波抑制比PSRR更高)和EMC性能更高。

  随着市场从模拟输入D类音频过渡到数字输入放大器,闭环器件(如TAS5706 D类放大器、TAS5601和TAS5602 PWM功率级)以集成方案向设备制造商提供了更高的性能、更低的成本和更短的上市时间。

  作者:Ryan Kehr

  电视音频产品新产品定义经理

  Michael Firth

  电视音频产品营销经理

  TI公司

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