摘要：本文是针对闭环架构的高级概览，文中论述了其在HDTV领域具有的三个主要优势：更高的阻尼因子、更好的电源噪声抗扰度和更高的EMC性能。
关键词：音频；D类放大器；TAS5706；TAS5601；TAS5602
高清电视(HDTV)领域中闭环音频架构的诸多优势已得到广泛印证，且绝大多数模拟输入D类放大器均采用闭环架构。由于该市场正向数字输入放大器(12S／PCM Serial Ⅰ／Fs)转换，降低成本、加速产品上市进程和性能提升的压力也正不断增加，为此闭环架构变得更加引人注目。本文是针对闭环架构的高级概览，文中论述了其在HDTV领域具有的三个主要优势：更高的阻尼因子、更好的电源噪声抗扰度和更高的EMC性能。
闭环架构概述
在音频领域，对于闭环和开环架构的激烈争论已经持续数年之久。根据终端应用或用户喜好的不同，可以得出对于这两种架构正确的论点。在HDTV领域，闭环放大器已经被证明是毫无疑问的胜出者。但是，在高端音频，关于这两种架构的争论仍然异常激烈。闭环架构的主要优势包括更佳的线性度、增益稳定性，更高的带宽，以及更低的输出阻抗，但其也存在一些劣势，主要包括存在降低稳定性、降低增益和增加复杂性的可能性。
从概念上来看，有助于我们考虑闭环放大器的“预失真”方面。放大器输出由放大信号和由放大器或电源引入的所有非线性失真组成，反馈网络对该放大器输出进行采样。接着，在同进入源信号重新组合之前，该输出采样被衰减和反向。求和节点(A点)之外的总信号为一个受到衰减的输入信号，同时在之前添加了放大器和电源非线性的区域存在反向“预失真”。此时，放大器增大信号，带来非线性失真的增加。由于源信号经由反馈网络遭受了预失真，因此您得到了一个预失真+失真的相互抵消的结果，从而产生了一个非常线性的信号。这是负反馈的主要优势，由此您就拥有了一个在系统中动态地进行非线性调节的机制。在一个开环架构中，这种机制并不存在。因此，对于放大器线性度和电源调节的性能要求均非常高，其通常会带来较高的成本和／或牺牲较多的性能。
阻尼因子的优势
阻尼因子是扬声器阻抗与放大器输出阻抗的比率。尤其是在低频率和瞬态条件下，其表明该放大器开始和停止扬声器纸盆运动能力的好坏。高阻尼因子放大器通常可以再产生一个更加致密、精确的低音响应。
闭环放大器拥有一个非常低的输出阻抗，相当于拥有一个高阻尼因子。在一个闭环系统中，通过增加电压输出对放大器输出端电阻压降进行反馈补偿。增高输出电压的效果相当于降低了反馈放大器的输出阻抗。
为了更好地理解低输出阻抗如何提供对扬声器的更好控制，我们需要看一下一个扬声器是如何工作的。假设您对扬声器的各终端施加一个三周期的80Hz猝发模式信号。当将该信号施加到各终端时，其驱动一个电流流经音圈，这反过来会产生一个推动扬声器纸盆来回运动的EMF。理想状态下，一旦消除该信号，扬声器纸盆会立即停止在其静止位置。不幸的是，在使扬声器纸盆运动停止前，我们已经将能量添加至必须被耗散或衰减的系统中。在扬声器中有两种阻尼：(1)由扬声器停止和振动膜空气动力负载产生的机械阻尼；(2)由扬声器磁性材料产生的电子阻尼。机械阻尼属性为扬声器结构和所用材料作用的结果，而电子阻尼的属性则为放大器阻尼因子直接影响的结果。
在移除信号以及扬声器开始发声以后，将产生一个欲停止扬声器纸盆运动的“阻尼”后EMF。通过放大器的输出阻抗，该EMF会产生一个从一个终端至另一个终端的电流。阻抗越小，电流就越大，因此，阻尼EMF也就越强。总之，低输出阻抗允许流过一个较大的后EMF电流，这样反过来又在振铃上施加了一个较强的阻尼力。
一个闭环(红紫色)和开环放大器(红色)，该开环放大器驱动了一个80Hz猝发模式信号三周期的超低音扬声器。振幅为28V峰至峰，同时80Hz信号接近该超低音扬声器的谐振频率。您可以清楚地看到，相比开环放大器，闭环放大器对振铃的阻尼更加快速。除了更大的阻尼以外，同一个开环放大器相比，闭环放大器还可以更加快速地开始扬声器纸盆的运动。
电源抑制优势
由定义可知，一个闭环系统使用反馈来使系统响应具有对外界干扰的低敏感性。开环系统不包含该反馈机制。一个开环系统的相关性能完全依靠最小化外界干扰来实现。
在一个音频放大器中，一个主要的外界干扰是电源。通过使用电容或者使用利用反馈来保证稳定输出电压的专用开关电源，可以使这种干扰最小化。在一个LCD-TV中，通过去除清洁的开关电源，同时直接使用+12V或+24V背光电源来驱动音频放大器，这样就可以实现极大的系统成本节约。
对一个放大器抑制电源干扰能力的常用测量方法是电源抑制。不幸的是，这种测量技术并未突出表明在桥接输出结构中闭环系统相对于开环系统的优势。该技术将放大器输入接地，同时通过在DC电源顶部增加一个频率组件来对电源进行调制。在开环系统中，输入电压与进入电源纹波混频在一起。由于零输入，因此没有混频发生，同时每一个输出端上的干扰均被轻松地在桥接负载上被抵消掉。在正弦信号输入频率的现实音频系统中，输入频率与电源纹波混频，同时创建出音调和音频带失真。另外，开环放大器增益可以通过电源纹波进行调制。
一个100Hz正弦波被施加于所有系统的输入端，同时该输入电压被增高以扫描THD+N曲线，与测得的8Q负载输出功率形成了对比。所用电源为非定制12V开关调节器。当为负载提供5W输出功率时，在300mVp条件下，测得在每一个放大器输入端的输出纹波。由于对电源的需求带来更多的电压纹波，因此开环和闭环系统之间的THD+N差异增加了。在那些调节器有大输出摆幅校正困难的低频率下，这一现象甚至更为明显。
总之，闭环系统让一个音频电路设计人员可以获得较高的音频性能，无需在设计紧密的系统电源(特别是为音频电路)上面花费更多的时间或金钱。
EMC优势
闭环系统的另一个优势是具有使输出转换上升沿和下降沿缓慢下来的能力，并且不包含总谐波失真或转换率控制。这就是将栅极驱动器从关闭状态缓慢地转换至开启状态的情况，从而带来一个更为缓慢的系统响应(更低的dV／dt响应)，以及在EMC测量中更低的峰值。
在D类放大器中，无反应时间是产生总谐波失真的一个重要原因。当输出H桥接中的两个MOSFET均处于关闭状态时，被定义为时间。在开环系统中，实现无反应时间在输出MOSFET之间的匹配来避免二阶效应至关重要。为了最小化无反应时间，脉宽调制(PWM)输出上升沿或下降沿均在非常快的速率下进行转换。一个典型开环放大器(在2.4ns时进行测量)的上升时间，以及一个闭环器件(在10ns时进行测量)的上升时间。请注意在示波器采集(随较大过冲产生的快速上升沿)中产生EMC的一些原因。
在闭环放大器中，通过将输入信号(理想输出响应)和实际输出响应之间的误差与较慢的边缘转换相结合，反馈可以对较慢的边缘转换进行校正。
EMC曲线图对比了一个开环放大器和一个闭环放大器。由于不恰当的电路板布局是影响EMC性能的一个重要因素，因此此处的电路板布局要与本实验非常匹配。另外，需要注意的是，该闭环放大器的频谱仅通过一个输出端LC滤波器来测量。开环放大器在每一个输出端上都拥有更多由一个R和C组成的缓冲电路，用于限制dV／dt。缓冲电路不仅增加了系统材料清单(BOM)，同时还增大了电路板面积。在昂贵的四层电路板上减少电路板面积至关重要。如果工程时间没有被花费在EMC室进行电路板调试，则不但节省了时间，而且还节省了成本。
结语
总之，闭环放大器在HDTV市场中具有三个主要的优势：较高的阻尼因子、较好的电源噪声抗扰度(即较高的电源纹波抑制比，或PSRR)，以及较高的EMC性能。随着从模拟输入D类音频放大器向数字输入放大器的过渡，一些闭环器件(例如TAS5706 D类放大器、TAS5601及TAS5602 PWM功率级)正为设备厂商们提供更高的性能、更低的成本和更短的产品上市时间。
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