HDTV市場(chǎng)中數字性能的閉環(huán)分析

　　對一個(gè)放大器抑制電源干擾能力的常用測量方法是電源抑制。不幸的是，這種測量技術(shù)并未突出表明在橋接輸出結構中閉環(huán)系統相對于開(kāi)環(huán)系統的優(yōu)勢。該技術(shù)將放大器輸入接地，同時(shí)通過(guò)在 DC 電源頂部增加一個(gè)頻率組件來(lái)對電源進(jìn)行調制。在開(kāi)環(huán)系統中，輸入電壓與進(jìn)入電源紋波(參見(jiàn)圖4)混頻在一起。由于零輸入，因此沒(méi)有混頻發(fā)生，同時(shí)每一個(gè)輸出端上的干擾均被輕松地在橋接負載上被抵消掉。在正弦信號輸入頻率的現實(shí)音頻系統中，輸入頻率與電源紋波混頻，同時(shí)創(chuàng )建出音調和音頻帶失真。另外，開(kāi)環(huán)放大器增益可以通過(guò)電源紋波進(jìn)行調制。圖5中，以總諧波失真加噪聲(THD+N)掃描的形式顯示了這種效應，其中，將一個(gè)閉環(huán)放大器同一個(gè)開(kāi)環(huán)放大器進(jìn)行了對比。

圖 4 開(kāi)環(huán)結構圖

　　圖5中，一個(gè)100Hz 正弦波被施加于所有系統的輸入端，同時(shí)該輸入電壓被增高以?huà)呙?THD+N 曲線(xiàn)，與測得的 8W負載輸出功率形成了對比。所用電源為非定制 12V 開(kāi)關(guān)調節器。當為負載提供 5W 輸出功率時(shí)，在 300mVp 條件下，測得在每一個(gè)放大器輸入端的輸出紋波。由于對電源的需求帶來(lái)更多的電壓紋波，因此開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統之間的 THD+N 差異增加了。在那些調節器有大輸出擺幅校正困難的低頻率下，這一現象甚至更為明顯。

圖 5 THD+N 與功率的關(guān)系曲線(xiàn)—開(kāi)環(huán)放大器與閉環(huán)放大器的對比

　　總之，閉環(huán)系統讓一個(gè)音頻電路設計人員可以獲得較高的音頻性能，無(wú)需在設計緊密的系統電源(特別是為音頻電路)上面花費更多的時(shí)間或金錢(qián)。

EMC優(yōu)勢

　　閉環(huán)系統的另一個(gè)優(yōu)勢是具有使輸出轉換上升沿和下降沿緩慢下來(lái)的能力，并且不包含總諧波失真或轉換率控制。這就是將柵極驅動(dòng)器從關(guān)閉狀態(tài)緩慢地轉換至開(kāi)啟狀態(tài)的情況，從而帶來(lái)一個(gè)更為緩慢的系統響應(更低的 dV/dt 響應)，以及在 EMC 測量中更低的峰值。

　　在 D類(lèi)放大器中，無(wú)反應時(shí)間是產(chǎn)生總諧波失真的一個(gè)重要原因。當輸出 H 橋接中的兩個(gè) MOSFET 均處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，被定義為時(shí)間。在開(kāi)環(huán)系統中，實(shí)現無(wú)反應時(shí)間在輸出 MOSFET 之間的匹配來(lái)避免二階效應至關(guān)重要。為了最小化無(wú)反應時(shí)間，脈寬調制 (PWM) 輸出上升沿或下降沿均在非?？斓乃俾氏逻M(jìn)行轉換。圖 6 顯示了一個(gè)典型開(kāi)環(huán)放大器(在 2.4ns 時(shí)進(jìn)行測量)的上升時(shí)間，以及一個(gè)閉環(huán)器件(在10ns 時(shí)進(jìn)行測量)的上升時(shí)間。請注意在示波器采集(隨較大過(guò)沖產(chǎn)生的快速上升沿)中產(chǎn)生 EMC 的一些原因。

圖 6 開(kāi)環(huán)與閉環(huán)響應的示波器采集

　　在閉環(huán)放大器中，通過(guò)將輸入信號(理想輸出響應)和實(shí)際輸出響應之間的誤差與較慢的邊緣轉換相結合， 反饋可以對較慢的邊緣轉換進(jìn)行校正。

　　圖 7 中，EMC 曲線(xiàn)圖對比了一個(gè)開(kāi)環(huán)放大器和一個(gè)閉環(huán)放大器。由于不恰當的電路板布局是影響 EMC 性能的一個(gè)重要因素，因此此處的電路板布局要與本實(shí)驗非常匹配。另外，需要注意的是，該閉環(huán)放大器的頻譜僅通過(guò)一個(gè)輸出端 LC 濾波器來(lái)測量。開(kāi)環(huán)放大器在每一個(gè)輸出端上都擁有更多由一個(gè) R 和 C 組成的緩沖電路，用于限制 dV/dt。緩沖電路不僅增加了系統材料清單 (BOM)，同時(shí)還增大了電路板面積。在昂貴的四層電路板上減少電路板面積至關(guān)重要。如果工程時(shí)間沒(méi)有被花費在 EMC 室進(jìn)行電路板調試，則不但節省了時(shí)間，而且還節省了成本。

圖 7 閉環(huán)放大器與開(kāi)環(huán)放大器的 EMC 性能對比

結語(yǔ)

　　總之，閉環(huán)放大器在 HDTV 市場(chǎng)中具有三個(gè)主要的優(yōu)勢：較高的阻尼因子、較好的電源噪聲抗擾度(即較高的電源紋波抑制比，或 PSRR)，以及較高的 EMC 性能。隨著(zhù)從模擬輸入 D 類(lèi)音頻放大器向數字輸入放大器的過(guò)渡，一些閉環(huán)器件(例如TAS5706 D類(lèi)放大器、TAS5601 及 TAS5602 PWM  功率級)正為設備廠(chǎng)商們提供更高的性能、更低的成本和更短的產(chǎn)品上市時(shí)間。

參考文獻：

　　1.  Albert Paul Malvino，電子原理，第 4 版，1989 年版
　　2.  Katsuhiko Ogata，現代控制工程，第 3 版，1997 年版