PSRR:关于开环闭环D类放大器的真实故事

2009年11月23日 12:11    贾延安
关键词: PSRR , 放大器 , 故事 , 开环
德州仪器高性能模拟产品部 Michael Firth与Yang Boon Quek  来源:电子产品世界 2009-11

  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靡一时。它们以极高效率的运行改变了市场形态,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4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BTLD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。要想更好地了解其原因,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。

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  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:

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  但这种传统PSRR测量方法使电源噪声明显存在于输出端上,重建滤波器以前和以后均存在。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。

  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,设计人员会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)。

  当今,消费类电子产品市场上大多数模拟输入D类放大器均为闭环。但是,数字输入I2S放大器却是另外一种情况。I2S放大器直接通过一条数字总线连接音频处理器或音频源。通过去除不必要的数模转换,不但可降低成本而且还可提高性能。遗憾的是,今天的市场上并没有很多闭环I2S放大器,因为构建一个对PWM输出采样并将其同输入I2S数字音频流相加的反馈环路,是一件十分困难的事情。在模拟反馈系统中,您可将模拟输出同模拟输入相加,因此实施起来更为容易。但是,随着I2S市场的发展,大多数I2S放大器都应遵循与模拟输入放大器一样的发展道路,并采用反馈架构。

  很明显,对于BTLD类放大器来说,PSRR并不是一种有效的电源抑制性能测量方法。那么,接下来做什么呢?还是回到那个生动形象的声音术语互调。我们需要测量播放音频时产生的互调失真及其相应的 THD+N变量曲线。在这样做以前,让我们转回到SE架构。在SE架构中,不管它是AB类、D类还是Z类放大器,您都得不到BTL架构的抵消效果,因为扬声器的一端被连接到放大器,而另一端则接地。因此,在SE架构中,传统的PSRR测量方法具有较好的电源噪声抑制指示,而不管是AB类还是D类放大器。

  现在,让我们进到实验室中获得一些数据。下面是一系列测量法,其中我们在一个开环和闭环I2S放大器中分析和对比了电源纹波IMD。将一个 1kHz数字声调注入到放大器的输入端,同时将一个100Hz、500mVpp的纹波信号注入到电源。通过使用一个带音频精确度内建FFT函数的差分输出 FFT来观察IMD。

  实验结果显示一个闭环I2S放大器的IMD测量时,1kHz输入信号时几乎不存在边带。该反馈环路正出色地抑制互调失真。

  另一个实验显示了相同的IMD测量方法,但这次针对的是一个I2S开环放大器。900Hz和1.1kHz边带均非常明显,因为没有反馈抑制IMD。

  但是就音频质量而言,IMD并非是一种能够给您诸多定性方法的简单的测量方法。一种选择是进行相同的实验,但现在却是对THD+N变量曲线进行测量,这也正是我们要在后面两个测量方法中做的。利用一个1kHz数字音频信号和500mVpp电源纹波对THD+N进行测量。电源纹波频率在50Hz到 1kHz范围内变化。

  图2中,观察不同电源纹波频率下开环部分的THD+N扫描。红线表示电源没有纹波的放大器性能,其代表理想状况。其它曲线代表50Hz到 1kHz之间变化的纹波频率。请注意,纹波频率增加时,失真影响的频率带宽也同时增加。请注意,开环性能在稳定电源环境中较好,但是这会增加成本,并且会在当今这个消费类电子产品激烈竞争的世界中处于不利地位。

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  观察图3所示的相同THD+N扫描,但现在针对的是闭环放大器。反馈功能将抑制互调失真,因此您没有看到任何纹波噪声对音频性能的影响。

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  结论

  本文中,我们回顾了测量PSRR的传统方法,并说明了其无法在BTLD类放大器中测量电源纹波影响的原因。BTL输出结构的固有抵消效果,加上测量期间缺少音频信号,从而产生一个虚假读数。这是该规范的严重缺点,因为电源噪声抑制性能在选择一个D类放大器时是极其重要的,特别是在观察数字输入(I2S)闭环和开环放大器之间的性能差异时。要想获得更为精确的电源噪声抑制图像,您需要在输入端注入一个1kHz音频信号并在电源上注入噪声来研究IMD和THD+N性能。最后,我们介绍了闭环D类放大器是如何能够对电源噪声进行补偿的,而开环放大器却不能做到这一点。在竞争激烈的消费类电子产品市场中,成本最为关键,闭环架构可以降低系统成本是一个非常重要的设计考虑因素。

  参考文献:

  [1]HaykinS.模拟和数字通信简介[M].约翰威立国际出版公司(JohnWiley&Sons,Inc.)第3.7章非线性失真,1989

  [2]FirthM,KehrR.闭环HDTV音频不但降低了空间要求和成本,而且还提升了性能[R/OL].[2008-12-5].:http://www.videsignline.com/howto/dtv_entertainment/212202077

  [3]TI公司.TAS5710产品说明书或订购样片[R/OL].www.ti.com/tas5710

  [4]Ti公司.TI音频产品系列[R/OL].www.ti.com/audio
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