PSRR测量技术探讨及检视D类放大器性能的替代方法

2015-02-05 12:41:47   来源:PSRR测量技术探讨及检视D类放大器性能的替代方法   

关键字: PSRR  测量技术  D类放大器

开环闭环D类放大器逐渐成为消费性音频电子设计人员的优先选择,若要准确地掌握放大器的性能,就需要不同的方式来检视电源纹波的效果。现在的音频设计人员非常重视降低系统成本、缩小体积以及提升音质,而这些都需要高度供电噪音抑制架构才能达成,然而,供电抑制比 (PSRR) 测量无法准确判别D类桥接负载 (BTL) 放大器的性能。本文将探讨传统的PSRR规格及测量技术,并说明其何以无法确切地测得放大器的供电抑制功能,此外,文中还将提供另一种方式来检视放大器音频性能中的电源纹波效应。

长久以来,供电抑制比(PSRR)一直是评定放大器是否能抑制输出端电源噪音的绝佳方式,然而,随着D类放大器的普及与性能优势,光靠PSRR做为供电噪音抑制的指标已显不足。比较开环闭环数字输入I2S放大器的PSRR规格时,这点尤其明显。PSRR规格大多相同,不过,聆听采用非理想电源供应的放大器所发出的音质时,即可明显地判别出音质的差异。本文将概述传统的PSRR测量方式,并说明这种测量方式何以无法确切判断桥接负载(BTL)配置中D类放大器的供电抑制性能,同时提供能有效测量D类放大器之中供电噪音效应的替代方法。

若要了解PSRR测量何以不再能确切判别供电抑制性能,必须先回顾AB类放大器主导消费性音频电子产品的那段历史。AB类放大器过去的配置都采用单端(SE)或BTL输出配置,这与现今的配置相同。事实上,SE AB类放大器一般都使用分支轨电源 (split rail supply) (亦即 +/- 12V),因为电源供应主要采用变压器的型态,而且加入第二个轨不会导致成本负担。BTL配置较常用于非分支轨电源的音频系统。然而,不论是SE或BT配置,通过AB类放大器的基本架构以及低于电源轨电压的输出电压,AB类放大器都能达到良好的PSRR。

针对AB类放大器,PSRR测量能够较准确地指出放大器抑制电源噪音的能力,尤其是对于SE配置 (详见下文)。首先让我们来了解D类放大器对于市场的影响。D类放大器的高效运作改变了市场的生态,使得工业设计出现大量的创新,尤其是体积尺寸的缩减。然而,这类放大器的架构与AB类放大器有根本上的差异,而且几乎清一色地选用BTL作为其输出配置。

在BTL配置中,D类放大器具备由四个FETS组成的两个输出级 (也称为全桥式)。SE D类放大器则只有由两个FETS组成的单一输出级(也称为半桥式)。相较于SE配置,BTL输出配置具有多项优点,包括特定电源轨的四倍输出功率、较佳的低音回应,以及绝佳的开关噪音抑制性能。BTL架构的缺点则是需要两倍数量的FET电晶体,这表示晶粒的大小尺寸及相关成本增加,而且重建滤波器 (LC滤波器) 的成本加倍。在现今SE及BTL D类放大器并行的市场中,BTL占了绝大多数。

在D类BTL配置中,传统的PSRR测量无法发挥效用。为了深入了解其中的原因,就必须先了解D类放大器的运作方式以及PSRR的测量方式。D类放大器是切换放大器,输出会以极高的频率在轨与轨之间切换,而此频率一般在250kHz以上。音频会用来进行切换频率(方波)的脉冲宽度调变(PWM),然后重建滤波器 (LC滤波器) 会用来撷取载波频率中的音频。这类切换架构的性能相当高 (架构与开关模式电源供应相同),但是对于供电噪音的敏感度也远远高于传统的AB类放大器。再仔细想想,放大器的输出基本上是电源轨(经过脉冲宽度调变),因此任何出现的供电噪音都会直接传送到放大器的输出。

供电抑制比(PSRR)是测定放大器抑制供电噪音 (亦即纹波) 达到何种程度的测量方式。这是选用音频放大器时必须考虑的重要参数,因为PSRR不佳的音频放大器通常需要高成本的电源供应及/或大型去耦合电容。在消费市场中,电源供应的成本、尺寸及重量是重要的设计考虑,尤其在体积外型不断缩小、价格急速下滑,而且便携式设计日益普遍的情况下更是如此。

在传统的PSRR测量中,放大器的电源电压包含DC电压及AC纹波信号 (Vripple)。音频输出为AC接地,因此测量期间不会有任何音频。由于所有的电源电压去耦合电容都已移除,因此 Vripple不会明显减弱 (图1)。此时会测量输出信号,然后使用等式1计算PSRR:

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图1:传统的PSRR测量

图2显示在D类BTL音频放大器上进行的传统PSRR测量。重建滤波器前后的输出明显出现供电噪音,不过,请注意出现的噪音在负载中为同相位(in-phase)。因此,测量PSRR时,Vout+与Vout-纹波会相互抵消,产生出供电抑制的错误指示,但是,可以清楚地看到放大器正将电源噪音直接传送到输出。这类PSRR测量无法指出放大器抑制供电噪音的优劣程度,而PSRR测量无法发挥效用的主因是输入在测量期间为AC接地。在实际应用中,放大器的功用是播放音乐,这正是必须考虑的部分。

播放音频时,供电噪音会与内送音频相互混合/调变,而整个音频频带会产生程度不一的失真状况,BTL配置本身的抵消作用再也无法消除其中的噪音,业界称此为互调失真(IMD)。IMD是两个以上不同频率的信号混合后所产生的结果,而且一般来说,所形成的信号频率不会是其中一种信号的谐波频率(整数倍数)。

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图2:具备LC滤波器的BTL D类PSRR测量

在继续探讨如何应付PSRR测量的缺陷之前,首先谈论一下回馈。从前文的论述中,应该不难察觉到D类放大器本身有电源噪音方面的问题,若不进行反馈,这将成为一个重大缺陷 (在高阶音频应用中,开放回路放大器可达到不错的音质,然而这类放大器一般都具备相当稳定、高性能的电源,而且成本也相当高,因此不能相提并论。) 若要补强对供电噪音的敏感度,设计人员可以设计一个电源已经过良好调节的系统,不过成本会增加,又或者是使用具有反馈的D类放大器 (也称为封闭回路放大器)。

在现今的消费性电子产品市场中,大多数的模拟输入D类放大器都采用封闭回路。然而,其中的数字输入I2S放大器有其缺陷。I2S放大器通过数字汇流排直接连接于音频处理器或音频来源,由于免除不必要的数字模拟转换,因此可降低成本,并提升性能。但是,如今市场上的封闭回路I2S放大器并不普遍,因为要建立反馈回路来进行PWM输出取样并且与内送 I2S数字音频串流(digital audio stream)相加总是相当困难的。在模拟反馈系统中,通常是模拟输出与模拟输入相加总,因此较为简易可行。然而,随着I2S市场的演变,大多数的I2S放大器都采取模拟输入放大器的做法,并采用反馈架构。
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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0205/article_10827.html
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