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闭环HDTV音频系统设计技巧

上网日期: 2009年08月11日 ?? 作者: Ryan Kehr,Michael Firth ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:闭环音频架构? HDTV?

高清电视应用中,闭环音频架构的优势已得到充分证明,绝大多数模拟输入D类放大器都采用闭环结构。由于市场目前正转换到数字输入放大器(I2S、PCM、串行I/F)并面临着无时不在的成本、上市时间和性能强化的压力,采用闭环架构迫切性进一步增强。本文将对闭环架构进行宏观评述,并讨论其在高清电视领域中的三个主要优势:阻尼比更大、电源噪声抗扰度更高、电磁兼容性能更好。

闭环架构概述

在音频领域,对闭环架构和开环架构的激烈争论已持续多年。根据终端应用或用户偏爱,两种架构都有各自的优势。在HDTV领域,闭环放大器无疑已成为明显取胜;但在高端音频领域,争议仍在激烈进行。闭环架构的主要优势包括线性度提高、增益稳定性改善、带宽增大、输出阻抗降低,缺点包括稳定性有可能会降低、增益降低和复杂性增加。

图1:闭环方框图
图1:闭环方框图

在概念上,我们可以从“预失真”的角度来考虑闭环放大器(图1)。反馈网络对放大器输出采样,而输出中包含放大的信号和由放大器或电源引入的非线性失真。在与输入信号再次结合之前,提取的输出信号已被衰减和反相。求和节点(点A)输出的合成信号是输入信号与反馈信号之差,反馈信号包含对放大器和电源的非线性的预失真。放大器提高了信号的幅度并引入了非线性失真。因为输入信号通过反馈网络被预失真,预失真与失真形成对消效应,产生一个线性度非常好的信号。

这是负反馈的基本优点,利用负反馈,我们有了对系统中非线性进行动态调整的机制。开环架构没有这个机制,对放大器的线性度和电源调节能力的性能要求都非常高,这通常造成成本增加和/或性能牺牲。

阻尼比优势

阻尼比是扬声器阻抗与放大器输出阻抗之比,它反映了放大器启停扬声器锥盆移动的能力,特别是在较低频率和瞬态期间。高阻尼比的放大器通常可再现出更严密准确的低音响应。

闭环放大器输出阻抗非常低,而输出阻抗低则阻尼比高。在闭环系统中,反馈机制通过提高输出电压来补偿放大器在输出电阻上的电压降。(输出阻抗两端的电压降越大,返回到求和节点的反馈越小,因而,输出电压越大)。提高输出电压相当于降低反馈放大器的输出阻抗。

为更好地理解低输出阻抗如何向扬声器提供更好的控制,我们需要了解扬声器是如何工作的。假设把一个三个周期的80Hz爆发模式信号施加到扬声器端子,当信号加到端子上时,它驱动电流流过声音线圈,声音线圈产生电动力(EMF)使扬声器锥盆来回移动。理想情况是,一旦信号消失,扬声器锥盆立即停止到其静止位置。遗憾的是,由于我们已经向系统中加入了能量,在停止扬声器锥盆移动之前必须先将能量耗散或衰减。

在扬声器中存在两种阻尼:1) 通过扬声器的悬挂装置和振动膜上的空气负载产生的机械阻尼;2) 通过扬声器磁场产生的电气阻尼。机械阻尼是扬声器构造和所用材料的函数,而电气阻尼直接受到放大器阻尼比的影响。

在信号消失而扬声器开始振荡之后,它产生一个试图使扬声器锥盆停止移动的阻尼性反向EMF。该EMF产生一个电流,从一个端子到另一个端子流过放大器输出阻抗。阻抗越小,电流越大——因而,阻尼EMF越强。总的来说,低输出阻抗可以形成较大的反向EMF电流,反过来对振荡施加强大的阻尼力。

图2:3个周期的80Hz爆发模式信号
图2:3个周期的80Hz爆发模式信号

图2显示了针对3个周期的80Hz爆发模式信号,用闭环(绛红色)和开环放大器(红色)驱动亚低音扩音器的结果。峰峰幅度为28V,而80Hz信号接近该亚低音扩音器的谐振频率。从图3可明显看出,闭环放大器能比开环放大器更快地使振荡减弱。除阻尼更大之外,同开环放大器相比,闭环放大器启动扬声器锥盆的速度也更快。

图3:阻尼作用放大图
图3:阻尼作用放大图

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