PSRR測(cè)量技術(shù)探討及檢視D類放大器性能的替代方法

開(kāi)環(huán)閉環(huán)D類放大器逐漸成為消費(fèi)性音頻電子設(shè)計(jì)人員的優(yōu)先選擇，若要準(zhǔn)確地掌握放大器的性能，就需要不同的方式來(lái)檢視電源紋波的效果?，F(xiàn)在的音頻設(shè)計(jì)人員非常重視降低系統(tǒng)成本、縮小體積以及提升音質(zhì)，而這些都需要高度供電噪音抑制架構(gòu)才能達(dá)成，然而，供電抑制比 (PSRR) 測(cè)量無(wú)法準(zhǔn)確判別D類橋接負(fù)載 (BTL) 放大器的性能。本文將探討傳統(tǒng)的PSRR規(guī)格及測(cè)量技術(shù)，并說(shuō)明其何以無(wú)法確切地測(cè)得放大器的供電抑制功能，此外，文中還將提供另一種方式來(lái)檢視放大器音頻性能中的電源紋波效應(yīng)。

長(zhǎng)久以來(lái)，供電抑制比(PSRR)一直是評(píng)定放大器是否能抑制輸出端電源噪音的絕佳方式，然而，隨著D類放大器的普及與性能優(yōu)勢(shì)，光靠PSRR做為供電噪音抑制的指標(biāo)已顯不足。比較開(kāi)環(huán)閉環(huán)數(shù)字輸入I2S放大器的PSRR規(guī)格時(shí)，這點(diǎn)尤其明顯。PSRR規(guī)格大多相同，不過(guò)，聆聽(tīng)采用非理想電源供應(yīng)的放大器所發(fā)出的音質(zhì)時(shí)，即可明顯地判別出音質(zhì)的差異。本文將概述傳統(tǒng)的PSRR測(cè)量方式，并說(shuō)明這種測(cè)量方式何以無(wú)法確切判斷橋接負(fù)載(BTL)配置中D類放大器的供電抑制性能，同時(shí)提供能有效測(cè)量D類放大器之中供電噪音效應(yīng)的替代方法。

若要了解PSRR測(cè)量何以不再能確切判別供電抑制性能，必須先回顧AB類放大器主導(dǎo)消費(fèi)性音頻電子產(chǎn)品的那段歷史。AB類放大器過(guò)去的配置都采用單端(SE)或BTL輸出配置，這與現(xiàn)今的配置相同。事實(shí)上，SE AB類放大器一般都使用分支軌電源 (split rail supply) (亦即 +/- 12V)，因?yàn)殡娫垂?yīng)主要采用變壓器的型態(tài)，而且加入第二個(gè)軌不會(huì)導(dǎo)致成本負(fù)擔(dān)。BTL配置較常用于非分支軌電源的音頻系統(tǒng)。然而，不論是SE或BT配置，通過(guò)AB類放大器的基本架構(gòu)以及低于電源軌電壓的輸出電壓，AB類放大器都能達(dá)到良好的PSRR。

針對(duì)AB類放大器，PSRR測(cè)量能夠較準(zhǔn)確地指出放大器抑制電源噪音的能力，尤其是對(duì)于SE配置 (詳見(jiàn)下文)。首先讓我們來(lái)了解D類放大器對(duì)于市場(chǎng)的影響。D類放大器的高效運(yùn)作改變了市場(chǎng)的生態(tài)，使得工業(yè)設(shè)計(jì)出現(xiàn)大量的創(chuàng)新，尤其是體積尺寸的縮減。然而，這類放大器的架構(gòu)與AB類放大器有根本上的差異，而且?guī)缀跚逡簧剡x用BTL作為其輸出配置。

在BTL配置中，D類放大器具備由四個(gè)FETS組成的兩個(gè)輸出級(jí) (也稱為全橋式)。SE D類放大器則只有由兩個(gè)FETS組成的單一輸出級(jí)(也稱為半橋式)。相較于SE配置，BTL輸出配置具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，包括特定電源軌的四倍輸出功率、較佳的低音回應(yīng)，以及絕佳的開(kāi)關(guān)噪音抑制性能。BTL架構(gòu)的缺點(diǎn)則是需要兩倍數(shù)量的FET電晶體，這表示晶粒的大小尺寸及相關(guān)成本增加，而且重建濾波器 (LC濾波器) 的成本加倍。在現(xiàn)今SE及BTL D類放大器并行的市場(chǎng)中，BTL占了絕大多數(shù)。

在D類BTL配置中，傳統(tǒng)的PSRR測(cè)量無(wú)法發(fā)揮效用。為了深入了解其中的原因，就必須先了解D類放大器的運(yùn)作方式以及PSRR的測(cè)量方式。D類放大器是切換放大器，輸出會(huì)以極高的頻率在軌與軌之間切換，而此頻率一般在250kHz以上。音頻會(huì)用來(lái)進(jìn)行切換頻率(方波)的脈沖寬度調(diào)變(PWM)，然后重建濾波器 (LC濾波器) 會(huì)用來(lái)擷取載波頻率中的音頻。這類切換架構(gòu)的性能相當(dāng)高 (架構(gòu)與開(kāi)關(guān)模式電源供應(yīng)相同)，但是對(duì)于供電噪音的敏感度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的AB類放大器。再仔細(xì)想想，放大器的輸出基本上是電源軌(經(jīng)過(guò)脈沖寬度調(diào)變)，因此任何出現(xiàn)的供電噪音都會(huì)直接傳送到放大器的輸出。

供電抑制比(PSRR)是測(cè)定放大器抑制供電噪音 (亦即紋波) 達(dá)到何種程度的測(cè)量方式。這是選用音頻放大器時(shí)必須考慮的重要參數(shù)，因?yàn)镻SRR不佳的音頻放大器通常需要高成本的電源供應(yīng)及/或大型去耦合電容。在消費(fèi)市場(chǎng)中，電源供應(yīng)的成本、尺寸及重量是重要的設(shè)計(jì)考慮，尤其在體積外型不斷縮小、價(jià)格急速下滑，而且便攜式設(shè)計(jì)日益普遍的情況下更是如此。

在傳統(tǒng)的PSRR測(cè)量中，放大器的電源電壓包含DC電壓及AC紋波信號(hào) (Vripple)。音頻輸出為AC接地，因此測(cè)量期間不會(huì)有任何音頻。由于所有的電源電壓去耦合電容都已移除，因此 Vripple不會(huì)明顯減弱 (圖1)。此時(shí)會(huì)測(cè)量輸出信號(hào)，然后使用等式1計(jì)算PSRR：

圖1:傳統(tǒng)的PSRR測(cè)量

圖2顯示在D類BTL音頻放大器上進(jìn)行的傳統(tǒng)PSRR測(cè)量。重建濾波器前后的輸出明顯出現(xiàn)供電噪音，不過(guò)，請(qǐng)注意出現(xiàn)的噪音在負(fù)載中為同相位(in-phase)。因此，測(cè)量PSRR時(shí)，Vout+與Vout-紋波會(huì)相互抵消，產(chǎn)生出供電抑制的錯(cuò)誤指示，但是，可以清楚地看到放大器正將電源噪音直接傳送到輸出。這類PSRR測(cè)量無(wú)法指出放大器抑制供電噪音的優(yōu)劣程度，而PSRR測(cè)量無(wú)法發(fā)揮效用的主因是輸入在測(cè)量期間為AC接地。在實(shí)際應(yīng)用中，放大器的功用是播放音樂(lè)，這正是必須考慮的部分。

播放音頻時(shí)，供電噪音會(huì)與內(nèi)送音頻相互混合/調(diào)變，而整個(gè)音頻頻帶會(huì)產(chǎn)生程度不一的失真狀況，BTL配置本身的抵消作用再也無(wú)法消除其中的噪音，業(yè)界稱此為互調(diào)失真(IMD)。IMD是兩個(gè)以上不同頻率的信號(hào)混合后所產(chǎn)生的結(jié)果，而且一般來(lái)說(shuō)，所形成的信號(hào)頻率不會(huì)是其中一種信號(hào)的諧波頻率(整數(shù)倍數(shù))。

圖2:具備LC濾波器的BTL D類PSRR測(cè)量

在繼續(xù)探討如何應(yīng)付PSRR測(cè)量的缺陷之前，首先談?wù)撘幌禄仞?。從前文的論述中，?yīng)該不難察覺(jué)到D類放大器本身有電源噪音方面的問(wèn)題，若不進(jìn)行反饋，這將成為一個(gè)重大缺陷 (在高階音頻應(yīng)用中，開(kāi)放回路放大器可達(dá)到不錯(cuò)的音質(zhì)，然而這類放大器一般都具備相當(dāng)穩(wěn)定、高性能的電源，而且成本也相當(dāng)高，因此不能相提并論。) 若要補(bǔ)強(qiáng)對(duì)供電噪音的敏感度，設(shè)計(jì)人員可以設(shè)計(jì)一個(gè)電源已經(jīng)過(guò)良好調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，不過(guò)成本會(huì)增加，又或者是使用具有反饋的D類放大器 (也稱為封閉回路放大器)。

在現(xiàn)今的消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場(chǎng)中，大多數(shù)的模擬輸入D類放大器都采用封閉回路。然而，其中的數(shù)字輸入I2S放大器有其缺陷。I2S放大器通過(guò)數(shù)字匯流排直接連接于音頻處理器或音頻來(lái)源，由于免除不必要的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，因此可降低成本，并提升性能。但是，如今市場(chǎng)上的封閉回路I2S放大器并不普遍，因?yàn)橐⒎答伝芈穪?lái)進(jìn)行PWM輸出取樣并且與內(nèi)送 I2S數(shù)字音頻串流(digital audio stream)相加總是相當(dāng)困難的。在模擬反饋系統(tǒng)中，通常是模擬輸出與模擬輸入相加總，因此較為簡(jiǎn)易可行。然而，隨著I2S市場(chǎng)的演變，大多數(shù)的I2S放大器都采取模擬輸入放大器的做法，并采用反饋架構(gòu)。

顯然PSRR不是測(cè)量BTL D類放大器供電抑制的有效方法，那么應(yīng)該怎么做？現(xiàn)在回頭談?wù)劵フ{(diào)這個(gè)名詞。設(shè)計(jì)人員需要測(cè)量在播放音頻時(shí)所產(chǎn)生的互調(diào)失真及其對(duì)應(yīng)的THD+N配置。在開(kāi)始之前，讓我們先回顧一下SE架構(gòu)。在SE架構(gòu)中，不論是AB類、D類或Z類，都沒(méi)有BTL架構(gòu)的抵消作用，這是因?yàn)槔鹊钠渲幸欢诉B接放大器，另一端則接地。因此，對(duì)于AB 類或D類放大器而言，在SE架構(gòu)中，傳統(tǒng)的PSRR測(cè)量都能夠確實(shí)指出供電噪音抑制的情形。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后便能取得一些數(shù)據(jù)，而藉由下列一系列測(cè)量所得的數(shù)據(jù)，則可分析和比較開(kāi)放回路及封閉回路I2S放大器的電源紋波IMD。數(shù)字1kHz音調(diào)注入放大器的輸入，而100Hz 的500mVpp紋波信號(hào)則注入電源供應(yīng)。通過(guò)音頻精準(zhǔn)度內(nèi)建于FFT的功能可取得差動(dòng)輸出的FFT，進(jìn)而進(jìn)行觀測(cè)IMD。

圖3顯示封閉回路I2S放大器的IMD測(cè)量，注意其中的1 kHz輸入信號(hào)以及幾乎不存在的旁波帶(sideband)。反饋回路正有效地抑制互調(diào)失真。

圖3:TAS5706封閉回路互調(diào)曲線圖

圖4顯示相同的IMD測(cè)量，但是這次是在I2S開(kāi)放回路放大器進(jìn)行測(cè)量。900 Hz及1.1kHz的旁波帶相當(dāng)明顯，因?yàn)槠渲袥](méi)有抑制IMD的反饋。

圖4:開(kāi)放回路互調(diào)曲線圖

現(xiàn)在提供一個(gè)好消息。在圖3及圖4中，可以清楚看出電源噪音IMD所產(chǎn)生的效果，不過(guò)，就音質(zhì)而言，IMD是一種很難達(dá)到定性的測(cè)量方式。進(jìn)行這種實(shí)驗(yàn)時(shí)，可選擇改為測(cè)量 THD+N配置，以下兩項(xiàng)測(cè)量將依此進(jìn)行。THD+N是以1kHz數(shù)字音頻及500mVpp電源紋波進(jìn)行測(cè)量，電源紋波頻率則介于50Hz至1kHz之間。

圖5顯示開(kāi)放回路放大器在不同電源紋波頻率下的THD+N曲線圖。紅線表示電源供應(yīng)未出現(xiàn)任何紋波的放大器性能，這是最理想的狀態(tài)。另一條曲線表示介于50Hz至1kHz之間的紋波頻率。當(dāng)紋波頻率增加時(shí)，失真對(duì)頻率帶寬的影響也會(huì)增加。通過(guò)經(jīng)過(guò)良好調(diào)節(jié)的電源能夠達(dá)到良好的開(kāi)放回路性能，不過(guò)，這會(huì)使得成本提高，對(duì)于現(xiàn)今極為競(jìng)爭(zhēng)的消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場(chǎng)而言，會(huì)是一大問(wèn)題。

圖5:開(kāi)放回路：不同PVCC紋波頻率的THD+N與頻率

圖6顯示封閉回路放大器的相同THD+N曲線圖。其中反饋抑制了互調(diào)失真，因此音頻未出現(xiàn)任何紋波噪音。

圖6:封閉回路：不同PVCC紋波頻率的THD+N與頻率

結(jié)論

本文回顧了測(cè)量PSRR的傳統(tǒng)方法，并指出其未能有效測(cè)量BTL D類放大器供電紋波效應(yīng)的原因。BTL輸出配置本身的抵消作用加上測(cè)量期間未出現(xiàn)任何音頻，便產(chǎn)生了錯(cuò)誤的讀數(shù)。這是規(guī)格上的重大缺陷，因?yàn)楣╇娫胍粢种菩阅苁沁x擇D類放大器時(shí)其中一項(xiàng)相當(dāng)重要的指標(biāo)，尤其在檢視數(shù)字輸入 (I2S) 封閉回路及開(kāi)放回路放大器的性能差異時(shí)更是如此。若要更正確地了解供電噪音抑制，就必須檢查輸出出現(xiàn)1kHz音頻信號(hào)且電源供應(yīng)出現(xiàn)噪音時(shí)的IMD及THD+N情況。本文最后說(shuō)明封閉回路D類放大器何以能夠針對(duì)供電噪音進(jìn)行補(bǔ)償而開(kāi)放回路放大器卻無(wú)法做到。在極為競(jìng)爭(zhēng)的消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場(chǎng)中，成本是考慮的核心因素，而封閉回路架構(gòu)能否降低系統(tǒng)成本是相當(dāng)重要的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。