供電抑制比 (PSRR)與開(kāi)環(huán)閉環(huán) D 類(lèi)放大器

摘要：開(kāi)環(huán)閉環(huán) D 類(lèi)放大器逐漸成為消費性音頻電子設計人員的優(yōu)先選擇，若要準確地掌握放大器的性能，就需要不同的方式來(lái)檢視電源紋波的效果?，F在的音頻設計人員非常重視降低系統成本、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才能達成，然而，供電抑制比 (PSRR) 測量無(wú)法準確判別 D 類(lèi)橋接負載 (BTL) 放大器的性能。本文將探討傳統的 PSRR 規格及測量技術(shù)，并說(shuō)明其何以無(wú)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(lái)檢視放大器音頻性能中的電源紋波效應。

長(cháng)久以來(lái)，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(zhù) D 類(lèi)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已顯不足。比較開(kāi)環(huán)閉環(huán)數字輸入 I2S 放大器的 PSRR 規格時(shí)，這點(diǎn)尤其明顯。PSRR 規格大多相同，不過(guò)，聆聽(tīng)采用非理想電源供應的放大器所發(fā)出的音質(zhì)時(shí)，即可明顯地判別出音質(zhì)的差異。本文將概述傳統的 PSRR 測量方式，并說(shuō)明這種測量方式何以無(wú)法確切判斷橋接負載 (BTL) 配置中 D 類(lèi)放大器的供電抑制性能，同時(shí)提供能有效測量 D 類(lèi)放大器之中供電噪音效應的替代方法。

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(lèi)放大器主導消費性音頻電子產(chǎn)品的那段歷史。AB 類(lèi)放大器過(guò)去的配置都采用單端 (SE) 或 BTL 輸出配置，這與現今的配置相同。事實(shí)上，SE AB 類(lèi)放大器一般都使用分支軌電源 (split rail supply) (亦即 +/- 12V)，因為電源供應主要采用變壓器的型態(tài)，而且加入第二個(gè)軌不會(huì )導致成本負擔。BTL 配置較常用于非分支軌電源的音頻系統。然而，不論是 SE 或 BTL 配置，通過(guò) AB 類(lèi)放大器的基本架構以及低于電源軌電壓的輸出電壓，AB 類(lèi)放大器都能達到良好的 PSRR。

針對 AB 類(lèi)放大器，PSRR 測量能夠較準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(jiàn)下文)。首先讓我們來(lái)了解 D 類(lèi)放大器對于市場(chǎng)的影響。D 類(lèi)放大器的高效運作改變了市場(chǎng)的生態(tài)，使得工業(yè)設計出現大量的創(chuàng )新，尤其是體積尺寸的縮減。然而，這類(lèi)放大器的架構與 AB 類(lèi)放大器有根本上的差異，而且幾乎清一色地選用 BTL 作為其輸出配置。

在 BTL 配置中，D 類(lèi)放大器具備由四個(gè) FETS 組成的兩個(gè)輸出級 (也稱(chēng)為全橋式)。SE D 類(lèi)放大器則只有由兩個(gè) FETS 組成的單一輸出級 (也稱(chēng)為半橋式)。相較于 SE 配置，BTL 輸出配置具有多項優(yōu)點(diǎn)，包括特定電源軌的四倍輸出功率、較佳的低音回應，以及絕佳的開(kāi)關(guān)噪音抑制性能。BTL 架構的缺點(diǎn)則是需要兩倍數量的 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。在現今 SE 及 BTL D 類(lèi)放大器并行的市場(chǎng)中，BTL 占了絕大多數。

在 D 類(lèi) BTL 配置中，傳統的 PSRR 測量無(wú)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(lèi)放大器的運作方式以及 PSRR 的測量方式。D 類(lèi)放大器是切換放大器，輸出會(huì )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(huì )用來(lái)進(jìn)行切換頻率 (方波) 的脈沖寬度調變 (PWM)，然后重建濾波器 (LC 濾波器) 會(huì )用來(lái)擷取載波頻率中的音頻。這類(lèi)切換架構的性能相當高 (架構與開(kāi)關(guān)模式電源供應相同)，但是對于供電噪音的敏感度也遠遠高于傳統的 AB 類(lèi)放大器。再仔細想想，放大器的輸出基本上是電源軌 (經(jīng)過(guò)脈沖寬度調變)，因此任何出現的供電噪音都會(huì )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) 達到何種程度的測量方式。這是選用音頻放大器時(shí)必須考慮的重要參數，因為 PSRR 不佳的音頻放大器通常需要高成本的電源供應及/或大型去耦合電容。在消費市場(chǎng)中，電源供應的成本、尺寸及重量是重要的設計考慮，尤其在體積外型不斷縮小、價(jià)格急速下滑，而且便攜式設計日益普遍的情況下更是如此。

在傳統的 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(huì )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(huì )明顯減弱 (圖 1)。此時(shí)會(huì )測量輸出信號，然后使用等式 1 計算 PSRR：

等式 (1)

圖 1. 傳統的 PSRR 測量

圖 2 顯示在 D 類(lèi) BTL 音頻放大器上進(jìn)行的傳統 PSRR 測量。重建濾波器前后的輸出明顯出現供電噪音，不過(guò)，請注意出現的噪音在負載中為同相位 (in-phase)。因此，測量 PSRR 時(shí)，Vout+ 與 Vout- 紋波會(huì )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(lèi) PSRR 測量無(wú)法指出放大器抑制供電噪音的優(yōu)劣程度，而 PSRR 測量無(wú)法發(fā)揮效用的主因是輸入在測量期間為 AC 接地。在實(shí)際應用中，放大器的功用是播放音樂(lè )，這正是必須考慮的部分。