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PSRR:关于开环闭环 D 类放大器的真实故事

导读: 随着开环闭环 D 类放大器越来越受到消费类音频电子设备设计人员的青睐,需要以一种不同的方法来研究电源纹波的影响,以便充分地捕获到放大器的性能。当今的音频设计人员越来越多地将注意力集中到降低系统成本、缩小外形尺寸和提供高品质音频上来。

  摘要:随着开环闭环 D 类放大器越来越受到消费类音频电子设备设计人员的青睐,需要以一种不同的方法来研究电源纹波的影响,以便充分地捕获到放大器的性能。当今的音频设计人员越来越多地将注意力集中到降低系统成本、缩小外形尺寸和提供高品质音频上来——所有这些都要求高电源噪声抑制架构。然而不幸的是,电源抑制比 (PSRR) 测量方法无法准确地捕获 D 类桥接式负载 (BTL) 放大器的性能。本文中,我们将讨论传统的 PSRR 规范和测量方法,并解释其未能充分捕获放大器电源抑制性能的原因。之后,我们介绍另一种研究电源纹波对放大器音频性能影响的方法。

  在过去,电源抑制比 (PSRR) 就已成为一种测量放大器抑制电源输出噪声性能的优异测量方法。但是,由于出现了越来越多的 D 类放大器,以及其拥有的效率优势,仅仅依靠 PSRR 作为电源噪声抑制性能的指示器已经远远不够了。相比开环闭环数字输入 I2S 放大器的 PSRR 规范,这一情况愈加明显。很多时候,PSRR 规范是一样的,但当监听低于理想电源的放大器时,很明显会存在音频性能差异。本文纵览了传统的 PSRR 测量方法,并解释了其不能完全捕获桥接式负载 (BTL) 结构中 D 类放大器电源抑制性能的原因,并介绍了一种测量 D 类放大器中电源噪声影响大小的替代方法。

  要想了解 PSRR 测量方法无法能够充分地捕获电源抑制性能的原因,我们需要回顾到 AB 类放大器统治消费类音频电子设备的时代。同今天的情况一样,AB 类放大器一般配置在一个单端 (SE) 或 BTL 输出结构中。实际上,SE AB 类放大器拥有分裂轨电源(即+/- 12V)是十分普遍的事,因为电源主要都基于变压器,而且增加第二个轨的成本也不是特别高。BTL 结构更多地用于那些没有分裂轨电源的音频系统中。不管是 SE 还是 BTL 结构,AB 类放大器本身都拥有良好的 PSRR,这是因为其基本架构以及通常大大低于电源轨电压的输出电平。

  就 AB 类放大器而言,PSRR 测量方法可以相对较好地显示放大器抑制电源噪声的性能,而就 SE 结构而言,就需要特别精确的放大器电源噪声抑制性能(我们后面再展开详细讨论)。我们将时间向前推,便会发现 D 类放大器在当时的市场上风摩一时。它们极高效率的运行改变了市场动态,从而在工业设计中实现了相当大的创新,特别是在更小的尺寸方面。但是,相比 AB 类放大器,它们的架构都存在根本的不同,同时它们的输出结构选择几乎只有 BTL。

  在 BTL 结构中,D 类放大器具有两个输出级,其由 4 个 FETS 组成(也被称作全桥接)。而 SE D 类放大器只有一个输出级,由两个 FETS 组成(也被称作半桥接)。相比 SE 结构,BTL 输出结构拥有诸多优势,其中包括给定在电源轨情况下的四倍输出功率,更好的低音响应,以及卓越的开/关咔嗒和噼噗声性能。BTL 架构存在的一些缺点是您需要两倍数目的 FET 晶体管。这就意味着更大的硅芯片尺寸和更高的相关成本,并且重建滤波器(LC 滤波器)成本也要翻倍。在今天的市场中,尽管 SE 和 BTL D 类放大器都可以看到,但大多数还是 BTL。

  在 D 类 BTL 结构中,传统的 PSRR 测量方法就无能为力了。要想更好的了解其原因,就需要了解 D 类放大器的工作原理,以及 PSRR 是如何测量出来的。D 类放大器为开关放大器,其输出在极高的频率下(通常为 250kHz 或者更高)进行轨至轨切换。音频信号用于脉宽调制 (PWM) 该开关频率(方波)。然后,重建滤波器(LC 滤波器)用于从载波频率提取音频信号。这些开关架构均极为高效(在一些开关式电源中也采用相同结构),但是相比传统的 AB 类放大器它们对电源噪声更为敏感。仔细思考一下就不难发现放大器的输出实质上就是电源轨(脉宽调制),因此所有电源噪声都直接被传递给了放大器输出。

  电源抑制比 (PSRR) 是一种衡量放大器抑制电源噪声(即纹波)性能好坏的度量标准。在选择音频放大器时它是一个重要的参数,因为低 PSRR 的音频放大器一般要求更高成本的电源和/或大去耦电容。在消费类电子产品市场上,电源成本、尺寸和重量都是重要的设计考虑因素,特别是在产品尺寸不断缩小、价格迅速下跌以及便携式设计日益普遍的情况下。

  传统的 PSRR 测量方法中,放大器的电源电压由一个 DC 电压和一个 AC 纹波信号 (Vripple) 组成。音频输入为 AC 接地,因此在测量时没有音频信号。所有电源电压去耦电容都被去掉,以使 Vripple 不受人为衰减(请参见图 1)。然后,测量输出信号,并使用方程式 1 计算得到 PSRR:

  

  图 1 传统 PSRR 测量方法

  图 2 显示了传统 PSRR 测量方法对 D 类 BTL 音频放大器的测量。电源噪声明显地存在于输出端上,重建滤波器以前和以后均存在。但是,需要注意的是整个负载上噪声都存在并且为同相。因此,当您测量 PSRR 时,Vout+ 和 Vout– 纹波互相抵消,从而产生一个虚电源抑制指示。但是,可以清楚地看到,该放大器正将电源噪声直接传递到输出。对于该放大器抑制电源噪声性能的好坏,这种 PSRR 测量方法并不能给我们任何表示。PSRR 测量方法失效的原因是测量期间输入 AC 接地。在现实情况中,放大器将播放音乐,这就是事情开始变得有趣的地方。

  播放音频时,电源噪声同进入的音频信号混频/调制,同时其随之产生的失真不同程度地传遍音频频带。BTL 结构固有的抵消效果不能再消除噪声。业界给这种现象起了一个十分形象生动的名称:互调失真 (IMD)。IMD 是两种或两种以上不同信号频率混频在一起的结果,其在一般不为任何一个谐波频率(整数倍数)上的频率形成一些额外信号。

  

  图 2 使用 LC 滤波器的 BTL D 类 PSRR 测量方法

  讨论如何弥补 PSRR 测量方法的一些不足之前,让我们首先讨论一下反馈功能。如果您是喝着咖啡,一直跟随本文的讨论,那么您就不会为 D 类放大器本身存在的一些电源噪声问题感到吃惊了。如果不是反馈功能,其便是一个严重的问题。(高端音频应用中,开环放大器听起来不错,但那是另外一种情况了。它们一般都拥有非常稳定、高性能的电源和极高的成本目标。)为了补偿电源噪声敏感度,设计人员设计一个具有高稳定电源的系统(会增加成本),或者使用一个具有反馈功能的 D 类放大器(也称作闭环放大器)。

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