長(cháng)久以來(lái)，供電抑制比(PSRR) 一直是評定放大器是否能抑制輸出端 噪音的絕佳方式，然而，隨著(zhù)D 類(lèi)放大器的普及與性能優(yōu)勢，光靠PSRR 做為供電噪音抑制的指標已顯不足。比較開(kāi)環(huán)閉環(huán)數字輸入I2S 放大器的PSRR 規格時(shí)，這點(diǎn)尤其明顯。PSRR 規格大多相同，不過(guò)，聆聽(tīng)采用非理想電源供應的放大器所發(fā)出的音質(zhì)時(shí)，即可明顯地判別出音質(zhì)的差異。本文將概述傳統的PSRR 測量方式，并說(shuō)明這種測量方式何以無(wú)法確切判斷橋接負載(BTL) 配置中D 類(lèi)放大器的供電抑制性能，同時(shí)提供能有效測量D 類(lèi)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(lèi)放大器主導消費性音頻電子產(chǎn)品的那段歷史。AB 類(lèi)放大器過(guò)去的配置都采用單端(SE) 或BTL 輸出配置，這與現今的配置相同。事實(shí)上，SE AB 類(lèi)放大器一般都使用分支軌電源(split rail supply) (亦即+/- 12V)，因為電源供應主要采用變壓器的型態(tài)，而且加入第二個(gè)軌不會(huì )導致成本負擔。BTL 配置較常用于非分支軌電源的音頻系統。然而，不論是SE 或BTL 配置，通過(guò)AB 類(lèi)放大器的基本架構以及低于電源軌電壓的輸出電壓，AB 類(lèi)放大器都能達到良好的PSRR。

針對AB 類(lèi)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，尤其是對于SE 配置(詳見(jiàn)下文)。首先讓我們來(lái)了解D 類(lèi)放大器對于市場(chǎng)的影響。D 類(lèi)放大器的高效運作改變了市場(chǎng)的生態(tài)，使得工業(yè)設計出現大量的創(chuàng )新，尤其是體積尺寸的縮減。然而，這類(lèi)放大器的架構與AB 類(lèi)放大器有根本上的差異，而且幾乎清一色地選用BTL 作為其輸出配置。

在BTL 配置中，D 類(lèi)放大器具備由四個(gè)FETS 組成的兩個(gè)輸出級(也稱(chēng)為全橋式)。SE D 類(lèi)放大器則只有由兩個(gè)FETS 組成的單一輸出級(也稱(chēng)為半橋式)。相較于SE 配置，BTL 輸出配置具有多項優(yōu)點(diǎn)，包括特定電源軌的四倍輸出功率、較佳的低音回應，以及絕佳的開(kāi)關(guān)噪音抑制性能。BTL 架構的缺點(diǎn)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(guān)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(lèi)放大器并行的市場(chǎng)中，BTL 占了絕大多數。

在D 類(lèi)BTL 配置中，傳統的PSRR 測量無(wú)法發(fā)揮效用。為了深入了解其中的原因，就必須先了解D 類(lèi)放大器的運作方式以及PSRR 的測量方式。D 類(lèi)放大器是切換放大器，輸出會(huì )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(huì )用來(lái)進(jìn)行切換頻率(方波) 的脈沖寬度調變(PWM)，然后重建濾波器(LC 濾波器) 會(huì )用來(lái)擷取載波頻率中的音頻。這類(lèi)切換架構的性能相當高(架構與開(kāi)關(guān)模式電源供應相同)，但是對于供電噪音的敏感度也遠遠高于傳統的AB 類(lèi)放大器。再仔細想想，放大器的輸出基本上是電源軌(經(jīng)過(guò)脈沖寬度調變)，因此任何出現的供電噪音都會(huì )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。這是選用時(shí)必須考慮的重要參數，因為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(chǎng)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(jià)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)。音頻輸出為AC 接地，因此測量期間不會(huì )有任何音頻。由于所有的電源電壓去耦合電容都已移除，因此Vripple 不會(huì )明顯減弱(圖1)。此時(shí)會(huì )測量輸出信號，然后使用式1 計算PSRR：

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圖1. 傳統的PSRR 測量

圖2 顯示在D 類(lèi)BTL 音頻放大器上進(jìn)行的傳統PSRR 測量。重建濾波器前后的輸出明顯出現供電噪音，不過(guò)，請注意出現的噪音在負載中為同(in-phase)。因此，測量PSRR 時(shí)，Vout+ 與Vout- 紋波會(huì )相互抵消，產(chǎn)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(lèi)PSRR 測量無(wú)法指出放大器抑制供電噪音的優(yōu)劣程度，而PSRR 測量無(wú)法發(fā)揮效用的主因是輸入在測量期間為AC 接地。在實(shí)際應用中，放大器的功用是播放音樂(lè )，這正是必須考慮的部分。

播放音頻時(shí)，供電噪音會(huì )與內送音頻相互混合/調變，而整個(gè)音頻頻帶會(huì )產(chǎn)生程度不一的失真狀況，BTL 配置本身的抵消作用再也無(wú)法消除其中的噪音，業(yè)界稱(chēng)此為互調失真(IMD)。IMD 是兩個(gè)以上不同頻率的信號混合后所產(chǎn)生的結果，而且一般來(lái)說(shuō)，所形成的信號頻率不會(huì )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(lèi)PSRR 測量

在繼續探討如何應付PSRR 測量的缺陷之前，首先談?wù)撘幌禄仞�。從前文的論述中，應該不難察覺(jué)到D 類(lèi)放大器本身有電源噪音方面的問(wèn)題，若不進(jìn)行反饋，這將成為一個(gè)重大缺陷(在高階音頻應用中，開(kāi)放回路放大器可達到不錯的音質(zhì)，然而這類(lèi)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，因此不能相提并論。) 若要補強對供電噪音的敏感度，設計人員可以設計一個(gè)電源已經(jīng)過(guò)良好調節的系統，不過(guò)成本會(huì )增加，又或者是使用具有反饋的D 類(lèi)放大器(也稱(chēng)為封閉回路放大器)。

在現今的消費性電子產(chǎn)品市場(chǎng)中，大多數的模擬輸入D 類(lèi)放大器都采用封閉回路。然而，其中的數字輸入I2S 放大器有其缺陷。I2S 放大器通過(guò)數字匯流排直接連接于音頻處理器或音頻來(lái)源，由于免除不必要的數字模擬轉換，因此可降低成本，并提升性能。但是，如今市場(chǎng)上的封閉回路I2S 放大器并不普遍，因為要建立反饋回路來(lái)進(jìn)行PWM 輸出取樣并且與內送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，因此較為簡(jiǎn)易可行。然而，隨著(zhù)I2S 市場(chǎng)的演變，大多數的I2S 放大器都采取模擬輸入放大器的做法，并采用反饋架構。

顯然PSRR 不是測量BTL D 類(lèi)放大器供電抑制的有效方法，那么應該怎么做？現在回頭談?wù)劵フ{這個(gè)名詞。設計人員需要測量在播放音頻時(shí)所產(chǎn)生的互調失真及其對應的THD+N 配置。在開(kāi)始之前，讓我們先回顧一下SE 架構。在SE 架構中，不論是AB 類(lèi)、D 類(lèi)或Z 類(lèi)，都沒(méi)有BTL 架構的抵消作用，這是因為喇叭的其中一端連接放大器，另一端則接地。因此，對于A(yíng)B 類(lèi)或D 類(lèi)放大器而言，在SE 架構中，傳統的PSRR 測量都能夠確實(shí)指出供電噪音抑制的情形。

在進(jìn)行實(shí)驗后便能取得一些數據，而藉由下列一系列測量所得的數據，則可分析和比較開(kāi)放回路及封閉回路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(guò)音頻精準度內建于FFT 的功能可取得差動(dòng)輸出的FFT，進(jìn)而進(jìn)行觀(guān)測IMD。

圖3 顯示封閉回路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)。反饋回路正有效地抑制互調失真。

圖3. TAS5706 封閉回路互調曲線(xiàn)圖

圖4 顯示相同的IMD 測量，但是這次是在I2S 開(kāi)放回路放大器進(jìn)行測量。900 Hz 及1.1kHz 的旁波帶相當明顯，因為其中沒(méi)有抑制IMD 的反饋。

圖4. 開(kāi)放回路互調曲線(xiàn)圖

現在提供一個(gè)好消息。在圖3 及圖4 中，可以清楚看出電源噪音IMD 所產(chǎn)生的效果，不過(guò)，就音質(zhì)而言，IMD 是一種很難達到定性的測量方式。進(jìn)行這種實(shí)驗時(shí)，可選擇改為測量THD+N 配置，以下兩項測量將依此進(jìn)行。THD+N 是以1kHz 數字音頻及500mVpp 電源紋波進(jìn)行測量，電源紋波頻率則介于50Hz 至1kHz 之間。

圖5 顯示開(kāi)放回路放大器在不同電源紋波頻率下的THD+N 曲線(xiàn)圖。紅線(xiàn)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(tài)。另一條曲線(xiàn)表示介于50Hz 至1kHz 之間的紋波頻率。當紋波頻率增加時(shí)，失真對頻率帶寬的影響也會(huì )增加。通過(guò)經(jīng)過(guò)良好調節的電源能夠達到良好的開(kāi)放回路性能，不過(guò)，這會(huì )使得成本提高，對于現今極為競爭的消費性電子產(chǎn)品市場(chǎng)而言，會(huì )是一大問(wèn)題。

圖5. 開(kāi)放回路：不同PVCC 紋波頻率的THD+N 與頻率

圖6 顯示封閉回路放大器的相同THD+N 曲線(xiàn)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. 封閉回路：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，并指出其未能有效測量BTL D 類(lèi)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(chǎn)生了錯誤的讀數。這是規格上的重大缺陷，因為供電噪音抑制性能是選擇D 類(lèi)放大器時(shí)其中一項相當重要的指標，尤其在檢視數字輸入(I2S) 封閉回路及開(kāi)放回路放大器的性能差異時(shí)更是如此。若要更正確地了解供電噪音抑制，就必須檢查輸出出現1kHz 音頻信號且電源供應出現噪音時(shí)的IMD 及THD+N情況。本文最后說(shuō)明封閉回路 D 類(lèi)放大器何以能夠針對供電噪音進(jìn)行補償而開(kāi)放回路放大器卻無(wú)法做到。在極為競爭的消費性電子產(chǎn)品市場(chǎng)中，成本是考慮的核心因素，而封閉回路架構能否降低系統成本是相當重要的設計重點(diǎn)。