HDTV整合闭环架构与开环架构分析

闭环音频架构对于高清电视 (HDTV) 的优势已经获得证实，绝大多数模拟输入 D 类放大器业已采用闭环架构。如今随着市场改为采用数字输入放大器 (I2S/PCM 序列 I/F)，加上成本、上市时间及性能方面的压力不断增加，闭环架构越来越受注目。本文由高层次的纵观角度探讨闭环架构，说明闭环架构为高清电视( HDTV) 所提供的三个主要优势：更高的阻尼系数、更良好的电源噪声抗扰性及更高的电磁兼容性(EMC)效能。

　　纵观闭环架构

　　在音频领域中，对于闭环和开环架构的争论已经持续多年。由于终端应用或用户喜好的不同，这两种架构各有其支持论点。在 高清电视(HDTV)领域中，闭环放大器无疑功效最佳。不过，在高端音响领域中，关于这两种架构的争论仍然持续不休。闭环架构的主要优点包括更佳的线性、增益稳定性、更大的带宽，以及更低的输出阻抗，但其中也存在一些缺点，主要包括降低稳定性、降低增益和增加复杂度。

　　概念上可以将闭环放大器视为「预失真」(图 1)。反馈网络会将放大器的输出取样，放大器的输出包含扩大的信号，以及放大器或电源供应引入信号的任何非线性失真。输出取样接着会减弱和反相，再与内送的源信号再结合。总和节点 (A 点) 发出的信号是减弱的输入信号，其中已预先加入放大器及电源供应非线性的区域出现反相「预失真」。放大器随后扩大该信号，增加非线性失真。由于源信号经过反馈网络的预失真，因此会产生预失真及失真的抵销作用，进而产生极为线性的信号。这是负反馈的基本优点，这样的机制可用来动态调整系统中的非线性失真。在开环架构中，并不存在这样的机制。因此，放大器线性及电源调节的性能需要较高，一般来说会造成成本增加及/或性能降低。

　　图 1：闭环示意图

　　阻尼系数的优点

　　阻尼系数是喇叭的阻抗与放大器的输出阻抗两者的比例，这表示放大器能够有效开始和停止喇叭圆锥体振动的控制程度，尤其是在较低频率及瞬时期间。高阻尼系数的放大器一般可重现较精准的低音响应。

　　闭环放大器的输出阻抗相当低，因此阻尼系数相当高。在闭环系统中，增加电压输出可使反馈补偿放大器的输出电阻电压降低 (输出阻抗的电压降幅愈大，针对总和节点提供的反馈越少，因此输出电压就越大)。增加输出电压的效果等同于减少反馈放大器的输出阻抗 [1]。

　　为了进一步了解低输出阻抗如何更有效地控制喇叭，我们需要先了解喇叭的运作方式。假设有三个周期的 80Hz 触发模式信号传导到喇叭的终端，信号传导到终端时，会驱动电流通过发音圈，而产生电动势 (EMF) 使喇叭圆锥体振动。理论上，一旦信号中断，喇叭会立即停止在休止位置。不过，由于在系统中增加了电能，因此必须在喇叭圆锥体停止振动前消耗或减弱电能。喇叭有两种阻尼：1) 透过喇叭悬吊及隔膜空气负载进行的机械式阻尼，以及 2) 透过喇叭磁性进行的电子式阻尼。机械式阻尼的属性与喇叭架构及所用材质有关，而电子式阻尼的属性则直接受到放大器阻尼系数的影响。

　　信号中断后，喇叭会开始振动，此时会产生「阻尼」反向电动势( EMF)，而使喇叭圆锥体停止振动。此电动势( EMF)会产生电流，经由放大器的输出阻抗从其中一个终端流向另一个终端。阻抗愈小，电流愈大，因此阻尼电动势 (EMF) 就会愈强。概括来说，低输出阻抗可产生较大的反向电动势( EMF)电流，使得振动的阻尼越强。

　　图 2 显示以 80Hz 触发模式信号驱动重低音喇叭经过三个周期的闭环放大器 (洋红色) 及开环放大器 (红色)。其中的峰间振幅为 28V，而 80Hz 信号接近重低音喇叭的共振频率。在图 3 中，可清楚看出闭环放大器减弱振动的速度比开环放大器快。除了阻尼较强之外，闭环放大器也能够比开环放大器更快开始喇叭圆锥体振动。

　　图 2：80Hz 省电模式的三个周期

　　图 3：放大显示阻尼

　　供电抑制优点

　　根据定义，闭环系统使用反馈来使系统响应不受外部干扰的影响 [2]。开环系统不包含任何反馈机制，若要发挥开环的性能，必须将外部干扰减至最低。

　　对于音频放大器而言，其中一个主要的外部干扰来自电源供应。透过电容或使用专属切换式电源供应 (以反馈确保稳定输出电压)，即可将干扰减至最低。在 LCD 电视中，不透过无干扰切换式电源供应，而直接以 +12V 或 +24V 背光电源供应驱动音频放大器，即可大幅减少系统成本。

一般是以电源抑制来衡量放大器是否能够抑制电源供应干扰;不过，这种技术无法突显桥接输出配置的闭环系统与开环系统的优点。这种技术将输出接地至放大器，并且在 DC 电源供应上增加频率组件，以调变电源供应。在开环系统中，输入电压与内送的电源供应涟波相互