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供電抑制比 (PSRR)與開環閉環 D 類放大器 [模擬技術]
發佈時間：2012-03-26 17:23:16
關鍵字：封閉迴路 D 類放大器、供電抑制比、PSRR、德州儀器、TI
摘要：開環閉環 D 類放大器逐漸成爲消費性音頻電子設計人員的優先選擇，若要準確地掌握放大器的性能，就需要不同的方式來檢視電源紋波的效果。現在的音頻設計人員非常重視降低系統成本、縮小體積以及提升音質，而這些都需要高度供電噪音抑制架構才能達成，然而，供電抑制比 (PSRR) 測量無法準確判別 D 類橋接負載 (BTL) 放大器的性能。本文將探討傳統的 PSRR 規格及測量技術，並說明其何以無法確切地測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檢視放大器音頻性能中的電源紋波效應。
作者：Michael Firth 及 Yang Boon Quek，德州儀器
長久以來，供電抑制比 (PSRR) 一直是評定放大器是否能抑制輸出端電源噪音的絕佳方式，然而，隨着 D 類放大器的普及與性能優勢，光靠 PSRR 做爲供電噪音抑制的指標已顯不足。比較開環閉環數字輸入 I2S 放大器的 PSRR 規格時，這點尤其明顯。PSRR 規格大多相同，不過，聆聽採用非理想電源供應的放大器所發出的音質時，即可明顯地判別出音質的差異。本文將概述傳統的 PSRR 測量方式，並說明這種測量方式何以無法確切判斷橋接負載 (BTL) 配置中 D 類放大器的供電抑制性能，同時提供能有效測量 D 類放大器之中供電噪音效應的替代方法。
若要了解 PSRR 測量何以不再能確切判別供電抑制性能，必須先回顧 AB 類放大器主導消費性音頻電子產品的那段歷史。AB 類放大器過去的配置都採用單端 (SE) 或 BTL 輸出配置，這與現今的配置相同。事實上，SE AB 類放大器一般都使用分支軌電源 (split rail supply) (亦即 +/- 12V)，因爲電源供應主要採用變壓器的型態，而且加入第二個軌不會導致成本負擔。BTL 配置較常用於非分支軌電源的音頻系統。然而，不論是 SE 或 BTL 配置，通過 AB 類放大器的基本架構以及低於電源軌電壓的輸出電壓，AB 類放大器都能達到良好的 PSRR。
針對 AB 類放大器，PSRR 測量能夠較準確地指出放大器抑制電源噪音的能力，尤其是對於 SE 配置 (詳見下文)。首先讓我們來了解 D 類放大器對於市場的影響。D 類放大器的高效運作改變了市場的生態，使得工業設計出現大量的創新，尤其是體積尺寸的縮減。然而，這類放大器的架構與 AB 類放大器有根本上的差異，而且幾乎清一色地選用 BTL 作爲其輸出配置。
在 BTL 配置中，D 類放大器具備由四個 FETS 組成的兩個輸出級 (也稱爲全橋式)。SE D 類放大器則只有由兩個 FETS 組成的單一輸出級 (也稱爲半橋式)。相較於 SE 配置，BTL 輸出配置具有多項優點，包括特定電源軌的四倍輸出功率、較佳的低音迴應，以及絕佳的開關噪音抑制性能。BTL 架構的缺點則是需要兩倍數量的 FET 電晶體，這表示晶粒的大小尺寸及相關成本增加，而且重建濾波器 (LC 濾波器) 的成本加倍。在現今 SE 及 BTL D 類放大器並行的市場中，BTL 佔了絕大多數。
在 D 類 BTL 配置中，傳統的 PSRR 測量無法發揮效用。爲了深入瞭解其中的原因，就必須先了解 D 類放大器的運作方式以及 PSRR 的測量方式。D 類放大器是切換放大器，輸出會以極高的頻率在軌與軌之間切換，而此頻率一般在 250kHz 以上。音頻會用來進行切換頻率 (方波) 的脈衝寬度調變 (PWM)，然後重建濾波器 (LC 濾波器) 會用來擷取載波頻率中的音頻。這類切換架構的性能相當高 (架構與開關模式電源供應相同)，但是對於供電噪音的敏感度也遠遠高於傳統的 AB 類放大器。再仔細想想，放大器的輸出基本上是電源軌 (經過脈衝寬度調變)，因此任何出現的供電噪音都會直接傳送到放大器的輸出。
供電抑制比 (PSRR) 是測定放大器抑制供電噪音 (亦即紋波) 達到何種程度的測量方式。這是選用音頻放大器時必須考慮的重要參數，因爲 PSRR 不佳的音頻放大器通常需要高成本的電源供應及/或大型去耦合電容。在消費市場中，電源供應的成本、尺寸及重量是重要的設計考慮，尤其在體積外型不斷縮小、價格急速下滑，而且便攜式設計日益普遍的情況下更是如此。
在傳統的 PSRR 測量中，放大器的電源電壓包含 DC 電壓及 AC 紋波信號 (Vripple)。音頻輸出爲 AC 接地，因此測量期間不會有任何音頻。由於所有的電源電壓去耦合電容都已移除，因此 Vripple 不會明顯減弱 (圖 1)。此時會測量輸出信號，然後使用等式 1 計算 PSRR：
等式 (1)
圖 1. 傳統的 PSRR 測量
圖 2 顯示在 D 類 BTL 音頻放大器上進行的傳統 PSRR 測量。重建濾波器前後的輸出明顯出現供電噪音，不過，請注意出現的噪音在負載中爲同相位 (in-phase)。因此，測量 PSRR 時，Vout+ 與 Vout- 紋波會相互抵消，產生出供電抑制的錯誤指示，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 測量無法指出放大器抑制供電噪音的優劣程度，而 PSRR 測量無法發揮效用的主因是輸入在測量期間爲 AC 接地。在實際應用中，放大器的功用是播放音樂，這正是必須考慮的部分。
播放音頻時，供電噪音會與內送音頻相互混合/調變，而整個音頻頻帶會產生程度不一的失真狀況，BTL 配置本身的抵消作用再也無法消除其中的噪音，業界稱此爲互調失真 (IMD)。IMD 是兩個以上不同頻率的信號混合後所產生的結果，而且一般來說，所形成的信號頻率不會是其中一種信號的諧波頻率 (整數倍數)。
圖 2. 具備 LC 濾波器的 BTL D 類 PSRR 測量
在繼續探討如何應付 PSRR 測量的缺陷之前，首先談論一下回饋。從前文的論述中，應該不難察覺到 D 類放大器本身有電源噪音方面的問題，若不進行反饋，這將成爲一個重大缺陷 (在高階音頻應用中，開放回路放大器可達到不錯的音質，然而這類放大器一般都具備相當穩定、高性能的電源，而且成本也相當高，因此不能相提並論。) 若要補強對供電噪音的敏感度，設計人員可以設計一個電源已經過良好調節的系統，不過成本會增加，又或者是使用具有反饋的 D 類放大器 (也稱爲封閉迴路放大器)。
在現今的消費性電子產品市場中，大多數的模擬輸入 D 類放大器都採用封閉迴路。然而，其中的數字輸入 I2S 放大器有其缺陷。I2S 放大器通過數字匯流排直接連接於音頻處理器或音頻來源，由於免除不必要的數字模擬轉換，因此可降低成本，並提升性能。但是，如今市場上的封閉迴路 I2S 放大器並不普遍，因爲要建立反饋迴路來進行 PWM 輸出取樣並且與內送 I2S 數字音頻串流 (digital audio stream) 相加總是相當困難的。在模擬反饋系統中，通常是模擬輸出與模擬輸入相加總，因此較爲簡易可行。然而，隨着 I2S 市場的演變，大多數的 I2S 放大器都採取模擬輸入放大器的做法，並採用反饋架構。
顯然 PSRR 不是測量 BTL D 類放大器供電抑制的有效方法，那麼應該怎麼做？現在回頭談談互調這個名詞。設計人員需要測量在播放音頻時所產生的互調失真及其對應的 THD+N 配置。在開始之前，讓我們先回顧一下 SE 架構。在 SE 架構中，不論是 AB 類、D 類或 Z 類，都沒有 BTL 架構的抵消作用，這是因爲喇叭的其中一端連接放大器，另一端則接地。因此，對於 AB 類或 D 類放大器而言，在 SE 架構中，傳統的 PSRR 測量都能夠確實指出供電噪音抑制的情形。
在進行實驗後便能取得一些數據，而藉由下列一系列測量所得的數據，則可分析和比較開放回路及封閉迴路 I2S 放大器的電源紋波 IMD。數字 1kHz 音調注入放大器的輸入，而 100Hz 的 500mVpp 紋波信號則注入電源供應。通過音頻精準度內建於 FFT 的功能可取得差動輸出的 FFT，進而進行觀測 IMD。
圖3 顯示封閉迴路I2S放大器的IMD測量，注意其中的1 kHz 輸入信號以及幾乎不存在的旁波帶 (sideband)。反饋迴路正有效地抑制互調失真。
圖3. TAS5706 封閉迴路互調曲線圖
圖 4 顯示相同的 IMD 測量，但是這次是在 I2S 開放回路放大器進行測量。900 Hz 及 1.1kHz 的旁波帶相當明顯，因爲其中沒有抑制 IMD 的反饋。
圖 4. 開放回路互調曲線圖
現在提供一個好消息。在圖 3 及圖 4 中，可以清楚看出電源噪音 IMD 所產生的效果，不過，就音質而言，IMD 是一種很難達到定性的測量方式。進行這種實驗時，可選擇改爲測量 THD+N 配置，以下兩項測量將依此進行。THD+N 是以 1kHz 數字音頻及 500mVpp 電源紋波進行測量，電源紋波頻率則介於 50Hz 至 1kHz 之間。
圖 5 顯示開放回路放大器在不同電源紋波頻率下的 THD+N 曲線圖。紅線表示電源供應未出現任何紋波的放大器性能，這是最理想的狀態。另一條曲線表示介於 50Hz 至 1kHz 之間的紋波頻率。當紋波頻率增加時，失真對頻率帶寬的影響也會增加。通過經過良好調節的電源能夠達到良好的開放回路性能，不過，這會使得成本提高，對於現今極爲競爭的消費性電子產品市場而言，會是一大問題。
圖 5. 開放回路：不同 PVCC 紋波頻率的 THD+N 與頻率
圖 6 顯示封閉迴路放大器的相同 THD+N 曲線圖。其中反饋抑制了互調失真，因此音頻未出現任何紋波噪音。
圖 6. 封閉迴路：不同 PVCC 紋波頻率的 THD+N 與頻率
結論
本文回顧了測量 PSRR 的傳統方法，並指出其未能有效測量 BTL D 類放大器供電紋波效應的原因。BTL 輸出配置本身的抵消作用加上測量期間未出現任何音頻，便產生了錯誤的讀數。這是規格上的重大缺陷，因爲供電噪音抑制性能是選擇 D 類放大器時其中一項相當重要的指標，尤其在檢視數字輸入 (I2S) 封閉迴路及開放回路放大器的性能差異時更是如此。若要更正確地瞭解供電噪音抑制，就必須檢查輸出出現 1kHz 音頻信號且電源供應出現噪音時的 IMD 及 THD+N情況。本文最後說明封閉迴路 D 類放大器何以能夠針對供電噪音進行補償而開放回路放大器卻無法做到。在極爲競爭的消費性電子產品市場中，成本是考慮的核心因素，而封閉迴路架構能否降低系統成本是相當重要的設計重點。