HDTV市場(chǎng)中數字性能的閉環(huán)分析

摘要：本文是針對閉環(huán)架構的高級概覽，文中論述了其在 HDTV 領(lǐng)域具有的三個(gè)主要優(yōu)勢：更高的阻尼因子、更好的電源噪聲抗擾度和更高的 EMC 性能。

關(guān)鍵詞：音頻；D 類(lèi)放大器；TAS5706；TAS5601；TAS5602

　　Ryan Kehr 現為 TI 科技委員會(huì )成員兼TV 音頻產(chǎn)品新產(chǎn)品定義經(jīng)理，在音頻領(lǐng)域具有 8 年豐富工作經(jīng)驗。
　　Michael Firth 現任TI公司 TV 音頻產(chǎn)品市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理。

　　高清電視 (HDTV) 領(lǐng)域中閉環(huán)音頻架構的諸多優(yōu)勢已得到廣泛印證，且絕大多數模擬輸入 D 類(lèi)放大器均采用閉環(huán)架構。由于該市場(chǎng)正向數字輸入放大器 (I2S/PCM Serial I/Fs) 轉換，降低成本、加速產(chǎn)品上市進(jìn)程和性能提升的壓力也正不斷增加，為此閉環(huán)架構變得更加引人注目。本文是針對閉環(huán)架構的高級概覽，文中論述了其在 HDTV 領(lǐng)域具有的三個(gè)主要優(yōu)勢：更高的阻尼因子、更好的電源噪聲抗擾度和更高的 EMC 性能。

閉環(huán)架構概述

　　在音頻領(lǐng)域，對于閉環(huán)和開(kāi)環(huán)架構的激烈爭論已經(jīng)持續數年之久。根據終端應用或用戶(hù)喜好的不同，可以得出對于這兩種架構正確的論點(diǎn)。在 HDTV 領(lǐng)域，閉環(huán)放大器已經(jīng)被證明是毫無(wú)疑問(wèn)的勝出者。但是，在高端音頻，關(guān)于這兩種架構的爭論仍然異常激烈。閉環(huán)架構的主要優(yōu)勢包括更佳的線(xiàn)性度、增益穩定性，更高的帶寬，以及更低的輸出阻抗，但其也存在一些劣勢，主要包括存在降低穩定性、降低增益和增加復雜性的可能性。

　　從概念上來(lái)看，有助于我們考慮閉環(huán)放大器的“預失真”(參見(jiàn)圖 1)方面。放大器輸出由放大信號和由放大器或電源引入的所有非線(xiàn)性失真組成，反饋網(wǎng)絡(luò )對該放大器輸出進(jìn)行采樣。接著(zhù)，在同進(jìn)入源信號重新組合之前，該輸出采樣被衰減和反向。求和節點(diǎn)(A 點(diǎn))之外的總信號為一個(gè)受到衰減的輸入信號，同時(shí)在之前添加了放大器和電源非線(xiàn)性的區域存在反向“預失真”。此時(shí)，放大器增大信號，帶來(lái)非線(xiàn)性失真的增加。由于源信號經(jīng)由反饋網(wǎng)絡(luò )遭受了預失真，因此您得到了一個(gè)預失真+失真的相互抵消的結果，從而產(chǎn)生了一個(gè)非常線(xiàn)性的信號。這是負反饋的主要優(yōu)勢，由此您就擁有了一個(gè)在系統中動(dòng)態(tài)地進(jìn)行非線(xiàn)性調節的機制。在一個(gè)開(kāi)環(huán)架構中，這種機制并不存在。因此，對于放大器線(xiàn)性度和電源調節的性能要求均非常高，其通常會(huì )帶來(lái)較高的成本和/或犧牲較多的性能。

圖 1 閉環(huán)結構圖

阻尼因子的優(yōu)勢

　　阻尼因子是揚聲器阻抗與放大器輸出阻抗的比率。尤其是在低頻率和瞬態(tài)條件下，其表明該放大器開(kāi)始和停止揚聲器紙盆運動(dòng)能力的好壞。高阻尼因子放大器通?？梢栽佼a(chǎn)生一個(gè)更加致密、精確的低音響應。

　　閉環(huán)放大器擁有一個(gè)非常低的輸出阻抗，相當于擁有一個(gè)高阻尼因子。在一個(gè)閉環(huán)系統中，通過(guò)增加電壓輸出對放大器輸出端電阻壓降進(jìn)行反饋補償。增高輸出電壓的效果相當于降低了反饋放大器的輸出阻抗。

　　為了更好地理解低輸出阻抗如何提供對揚聲器的更好控制，我們需要看一下一個(gè)揚聲器是如何工作的。假設您對揚聲器的各終端施加一個(gè)三周期的 80Hz 猝發(fā)模式信號。當將該信號施加到各終端時(shí)，其驅動(dòng)一個(gè)電流流經(jīng)音圈，這反過(guò)來(lái)會(huì )產(chǎn)生一個(gè)推動(dòng)揚聲器紙盆來(lái)回運動(dòng)的EMF。理想狀態(tài)下，一旦消除該信號，揚聲器紙盆會(huì )立即停止在其靜止位置。不幸的是，在使揚聲器紙盆運動(dòng)停止前，我們已經(jīng)將能量添加至必須被耗散或衰減的系統中。在揚聲器中有兩種阻尼：(1) 由揚聲器停止和振動(dòng)膜空氣動(dòng)力負載產(chǎn)生的機械阻尼；(2) 由揚聲器磁性材料產(chǎn)生的電子阻尼。機械阻尼屬性為揚聲器結構和所用材料作用的結果，而電子阻尼的屬性則為放大器阻尼因子直接影響的結果。

　　在移除信號以及揚聲器開(kāi)始發(fā)聲以后，將產(chǎn)生一個(gè)欲停止揚聲器紙盆運動(dòng)的“阻尼”后 EMF。通過(guò)放大器的輸出阻抗，該 EMF 會(huì )產(chǎn)生一個(gè)從一個(gè)終端至另一個(gè)終端的電流。阻抗越小，電流就越大，因此，阻尼 EMF 也就越強?？傊?，低輸出阻抗允許流過(guò)一個(gè)較大的后 EMF 電流，這樣反過(guò)來(lái)又在振鈴上施加了一個(gè)較強的阻尼力。

　　圖2~3顯示了一個(gè)閉環(huán)(紅紫色部分)和開(kāi)環(huán)放大器(紅色部分)，該開(kāi)環(huán)放大器驅動(dòng)了一個(gè) 80Hz 猝發(fā)模式信號三周期的超低音揚聲器。振幅為 28V 峰至峰，同時(shí) 80Hz 信號接近該超低音揚聲器的諧振頻率。您可以清楚地看到，相比開(kāi)環(huán)放大器，閉環(huán)放大器對振鈴的阻尼更加快速。除了更大的阻尼以外，同一個(gè)開(kāi)環(huán)放大器相比，閉環(huán)放大器還可以更加快速地開(kāi)始揚聲器紙盆的運動(dòng)。

圖 2 80Hz 猝發(fā)模式的三個(gè)周期


圖 3 阻尼的放大

電源抑制優(yōu)勢

　　由定義可知，一個(gè)閉環(huán)系統使用反饋來(lái)使系統響應具有對外界干擾的低敏感性。開(kāi)環(huán)系統不包含該反饋機制。一個(gè)開(kāi)環(huán)系統的相關(guān)性能完全依靠最小化外界干擾來(lái)實(shí)現。

　　在一個(gè)音頻放大器中，一個(gè)主要的外界干擾是電源。通過(guò)使用電容或者使用利用反饋來(lái)保證穩定輸出電壓的專(zhuān)用開(kāi)關(guān)電源，可以使這種干擾最小化。在一個(gè) LCD-TV 中，通過(guò)去除清潔的開(kāi)關(guān)電源，同時(shí)直接使用 +12V或+24V背光電源來(lái)驅動(dòng)音頻放大器，這樣就可以實(shí)現極大的系統成本節約。