摘要：随着开环闭环 D 类放大器越来越受到消费类音频电子设备设计人员的青睐，需要以一种不同的方法来研究电源纹波的影响，以便充分地捕获到放大器的性能。当今的音频设计人员越来越多地将注意力集中到降低系统成本、缩小外形尺寸和提供高品质音频上来——所有这些都要求高电源噪声抑制架构。然而不幸的是，电源抑制比 (PSRR) 测量方法无法准确地捕获 D 类桥接式负载 (BTL) 放大器的性能。本文中，我们将讨论传统的 PSRR 规范和测量方法，并解释其未能充分捕获放大器电源抑制性能的原因。之后，我们介绍另一种研究电源纹波对放大器音频性能影响的方法。

    在过去，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摩一时。它们极高效率的运行改变了市场动态，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四倍输出功率，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 BTL D 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。要想更好的了解其原因，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。

    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：

图 1 传统 PSRR 测量方法

    图 2 显示了传统 PSRR 测量方法对 D 类 BTL 音频放大器的测量。电源噪声明显地存在于输出端上，重建滤波器以前和以后均存在。但是，需要注意的是整个负载上噪声都存在并且为同相。因此，当您测量 PSRR 时，Vout+ 和 Vout– 纹波互相抵消，从而产生一个虚电源抑制指示。但是，可以清楚地看到，该放大器正将电源噪声直接传递到输出。对于该放大器抑制电源噪声性能的好坏，这种 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。

图 2 使用 LC 滤波器的 BTL D 类 PSRR 测量方法

    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。不幸的是，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 BTL D 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。

    图 3 显示的是一个闭环 I2S 放大器的 IMD 测量方法。请注意 1kHz 输入信号和几乎不存在的边带。该反馈环路正出色地抑制互调失真。

图 3 TAS5706 闭环互调扫描

    图 4 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。900 Hz 和 1.1kHz 边带均非常明显，因为没有反馈抑制 IMD。

图 4 开环互调扫描

    现在，让我们讨论一些有意思的事情！在图 3 和图 4 中，您可以清楚地看到电源噪声 IMD 的效果。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 5 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。

图 5 开环：不同 PVCC 纹波频率下 THD+N 与频率的对比关系

    观察图 6 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。

图 6 闭环：不同 PVCC 纹波频率下 THD+N 与频率的对比关系

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 BTL D 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

· 《模拟和数字通信简介》，作者：Haykin, Simon，第 3.7 章非线性失真，由约翰威立国际出版公司 (John Wiley & Sons, Inc.) 出版，1989 年版，ISBN：0-471-85978-8。

· 《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》，作者：Firth, Michael 和 Kehr, Ryan，网址：VideoImagingDesignLine.com，2008 年 12 月 5 日：http://www.videsignline.com/howto/dtv_entertainment/212202077.

· 如欲下载 TAS5710 产品说明书或订购其样片，敬请访问：www.ti.com/tas5710。

· 如欲了解 TI 音频产品系列的更多详情，敬请访问：www.ti.com/audio。

作者简介

    Yang Boon Quek 现任 TI 高性能模拟产品部应用工程师，主要负责为中国、台湾、新加坡以及马来西亚等国家和地区的 TI 音频功率放大器客户提供应用支持。 Yang Boon Quek 毕业于新加坡国立大学 (National University of Singapore)，获电子工程理学士学位（第一等级荣誉学位），后又毕业于密西根大学安娜堡分校 (University of Michigan at Ann Arbor)，获电子工程硕士学位。Yang Boon 喜欢踢足球、练瑜珈和拉小提琴。

Michael Firth 现任 TI 高性能模拟产品部显示和消费类音频产品市场营销经理。Mike 毕业于俄克拉荷马大学 (University of Oklahoma)，获工程物理学学士学位。Michael 喜欢跑步、远足以及和他的三只解斗犬一起玩耍：Ringo、Ritter 和 Ryker。

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