HDTV整合閉環(huán)架構與開(kāi)環(huán)架構分析

閉環(huán)音頻架構對于高清電視 (HDTV) 的優(yōu)勢已經(jīng)獲得證實(shí)，絕大多數模擬輸入 D 類(lèi)放大器業(yè)已采用閉環(huán)架構。如今隨著(zhù)市場(chǎng)改為采用數字輸入放大器 (I2S/PCM 序列 I/F)，加上成本、上市時(shí)間及性能方面的壓力不斷增加，閉環(huán)架構越來(lái)越受注目。本文由高層次的縱觀(guān)角度探討閉環(huán)架構，說(shuō)明閉環(huán)架構為高清電視( HDTV) 所提供的三個(gè)主要優(yōu)勢：更高的阻尼系數、更良好的電源噪聲抗擾性及更高的電磁兼容性(EMC)效能。

　　縱觀(guān)閉環(huán)架構

　　在音頻領(lǐng)域中，對于閉環(huán)和開(kāi)環(huán)架構的爭論已經(jīng)持續多年。由于終端應用或用戶(hù)喜好的不同，這兩種架構各有其支持論點(diǎn)。在 高清電視(HDTV)領(lǐng)域中，閉環(huán)放大器無(wú)疑功效最佳。不過(guò)，在高端音響領(lǐng)域中，關(guān)于這兩種架構的爭論仍然持續不休。閉環(huán)架構的主要優(yōu)點(diǎn)包括更佳的線(xiàn)性、增益穩定性、更大的帶寬，以及更低的輸出阻抗，但其中也存在一些缺點(diǎn)，主要包括降低穩定性、降低增益和增加復雜度。

　　概念上可以將閉環(huán)放大器視為「預失真」(圖 1)。反饋網(wǎng)絡(luò )會(huì )將放大器的輸出取樣，放大器的輸出包含擴大的信號，以及放大器或電源供應引入信號的任何非線(xiàn)性失真。輸出取樣接著(zhù)會(huì )減弱和反相，再與內送的源信號再結合?？偤凸濣c(diǎn) (A 點(diǎn)) 發(fā)出的信號是減弱的輸入信號，其中已預先加入放大器及電源供應非線(xiàn)性的區域出現反相「預失真」。放大器隨后擴大該信號，增加非線(xiàn)性失真。由于源信號經(jīng)過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò )的預失真，因此會(huì )產(chǎn)生預失真及失真的抵銷(xiāo)作用，進(jìn)而產(chǎn)生極為線(xiàn)性的信號。這是負反饋的基本優(yōu)點(diǎn)，這樣的機制可用來(lái)動(dòng)態(tài)調整系統中的非線(xiàn)性失真。在開(kāi)環(huán)架構中，并不存在這樣的機制。因此，放大器線(xiàn)性及電源調節的性能需要較高，一般來(lái)說(shuō)會(huì )造成成本增加及/或性能降低。

　　圖 1：閉環(huán)示意圖

　　阻尼系數的優(yōu)點(diǎn)

　　阻尼系數是喇叭的阻抗與放大器的輸出阻抗兩者的比例，這表示放大器能夠有效開(kāi)始和停止喇叭圓錐體振動(dòng)的控制程度，尤其是在較低頻率及瞬時(shí)期間。高阻尼系數的放大器一般可重現較精準的低音響應。

　　閉環(huán)放大器的輸出阻抗相當低，因此阻尼系數相當高。在閉環(huán)系統中，增加電壓輸出可使反饋補償放大器的輸出電阻電壓降低 (輸出阻抗的電壓降幅愈大，針對總和節點(diǎn)提供的反饋越少，因此輸出電壓就越大)。增加輸出電壓的效果等同于減少反饋放大器的輸出阻抗 [1]。

　　為了進(jìn)一步了解低輸出阻抗如何更有效地控制喇叭，我們需要先了解喇叭的運作方式。假設有三個(gè)周期的 80Hz 觸發(fā)模式信號傳導到喇叭的終端，信號傳導到終端時(shí)，會(huì )驅動(dòng)電流通過(guò)發(fā)音圈，而產(chǎn)生電動(dòng)勢 (EMF) 使喇叭圓錐體振動(dòng)。理論上，一旦信號中斷，喇叭會(huì )立即停止在休止位置。不過(guò)，由于在系統中增加了電能，因此必須在喇叭圓錐體停止振動(dòng)前消耗或減弱電能。喇叭有兩種阻尼：1) 透過(guò)喇叭懸吊及隔膜空氣負載進(jìn)行的機械式阻尼，以及 2) 透過(guò)喇叭磁性進(jìn)行的電子式阻尼。機械式阻尼的屬性與喇叭架構及所用材質(zhì)有關(guān)，而電子式阻尼的屬性則直接受到放大器阻尼系數的影響。

　　信號中斷后，喇叭會(huì )開(kāi)始振動(dòng)，此時(shí)會(huì )產(chǎn)生「阻尼」反向電動(dòng)勢( EMF)，而使喇叭圓錐體停止振動(dòng)。此電動(dòng)勢( EMF)會(huì )產(chǎn)生電流，經(jīng)由放大器的輸出阻抗從其中一個(gè)終端流向另一個(gè)終端。阻抗愈小，電流愈大，因此阻尼電動(dòng)勢 (EMF) 就會(huì )愈強。概括來(lái)說(shuō)，低輸出阻抗可產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢( EMF)電流，使得振動(dòng)的阻尼越強。

　　圖 2 顯示以 80Hz 觸發(fā)模式信號驅動(dòng)重低音喇叭經(jīng)過(guò)三個(gè)周期的閉環(huán)放大器 (洋紅色) 及開(kāi)環(huán)放大器 (紅色)。其中的峰間振幅為 28V，而 80Hz 信號接近重低音喇叭的共振頻率。在圖 3 中，可清楚看出閉環(huán)放大器減弱振動(dòng)的速度比開(kāi)環(huán)放大器快。除了阻尼較強之外，閉環(huán)放大器也能夠比開(kāi)環(huán)放大器更快開(kāi)始喇叭圓錐體振動(dòng)。

　　圖 2：80Hz 省電模式的三個(gè)周期

　　圖 3：放大顯示阻尼

　　供電抑制優(yōu)點(diǎn)

　　根據定義，閉環(huán)系統使用反饋來(lái)使系統響應不受外部干擾的影響 [2]。開(kāi)環(huán)系統不包含任何反饋機制，若要發(fā)揮開(kāi)環(huán)的性能，必須將外部干擾減至最低。

　　對于音頻放大器而言，其中一個(gè)主要的外部干擾來(lái)自電源供應。透過(guò)電容或使用專(zhuān)屬切換式電源供應 (以反饋確保穩定輸出電壓)，即可將干擾減至最低。在 LCD 電視中，不透過(guò)無(wú)干擾切換式電源供應，而直接以 +12V 或 +24V 背光電源供應驅動(dòng)音頻放大器，即可大幅減少系統成本。

　　一般是以電源抑制來(lái)衡量放大器是否能夠抑制電源供應干擾;不過(guò)，這種技術(shù)無(wú)法突顯橋接輸出配置的閉環(huán)系統與開(kāi)環(huán)系統的優(yōu)點(diǎn)。這種技術(shù)將輸出接地至放大器，并且在 DC 電源供應上增加頻率組件，以調變電源供應。在開(kāi)環(huán)系統中，輸入電壓與內送的電源供應漣波相互混合 (圖 4)。在零輸入時(shí)，不會(huì )出現混合情形，而且橋接負載上各個(gè)輸出的干擾都會(huì )被消除。在含有正弦曲線(xiàn)輸入頻率的實(shí)時(shí)音頻系統中，輸入頻率會(huì )與電源供應漣波相互混合，而造成音頻頻帶出現噪聲及失真。開(kāi)環(huán)放大器的增益也可使用電源供應漣波加以調變。該效果可從圖 5 的總諧波失真及噪聲 (THD+N) 曲線(xiàn)圖看出，該圖將閉環(huán)放大器與開(kāi)環(huán)放大器進(jìn)行相互比較。

　　在圖 5 中，100Hz 正弦波施加于各個(gè)系統的輸入，并且增加輸入電壓，以描繪 THD+N 與 8Ohm 負載的輸出功率。使用的電源供應是現成的 12V 切換穩壓器。驅動(dòng) 5W 輸出功率進(jìn)入負載時(shí)，在各個(gè)放大器的輸入端所測得的輸入漣波為 300mVp。由于電源供應的需求導致電壓漣波增加，開(kāi)環(huán)系統及閉環(huán)系統的 THD+N 差異隨之增加。這種現象在較低頻率更為明顯，因為穩壓器難以修正較大的輸出擺幅。

　　總結來(lái)說(shuō)，在設計音頻電路專(zhuān)用的嚴格控制系統電源供應時(shí)，閉環(huán)系統能夠讓音頻電路設計人員在不增加時(shí)間或成本支出的情況下提升音頻性能。

　　圖 4：開(kāi)環(huán)示意圖

　　圖 5：THD+N 與電源比較 – 開(kāi)環(huán)及閉環(huán)放大器