闭环HDTV音频系统设计技巧

关键字： 闭环音频架构  HDTV 

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

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