供电抑制比 (PSRR)与开环闭环 D 类放大器

摘要：开环闭环 D 类放大器逐渐成为消费性音频电子设计人员的优先选择，若要准确地掌握放大器的性能，就需要不同的方式来检视电源纹波的效果。现在的音频设计人员非常重视降低系统成本、缩小体积以及提升音质，而这些都需要高度供电噪音抑制架构才能达成，然而，供电抑制比 (PSRR) 测量无法准确判别 D 类桥接负载 (BTL) 放大器的性能。本文将探讨传统的 PSRR 规格及测量技术，并说明其何以无法确切地测得放大器的供电抑制功能，此外，文中还将提供另一种方式来检视放大器音频性能中的电源纹波效应。

长久以来，供电抑制比 (PSRR) 一直是评定放大器是否能抑制输出端电源噪音的绝佳方式，然而，随着 D 类放大器的普及与性能优势，光靠 PSRR 做为供电噪音抑制的指标已显不足。比较开环闭环数字输入 I2S 放大器的 PSRR 规格时，这点尤其明显。PSRR 规格大多相同，不过，聆听采用非理想电源供应的放大器所发出的音质时，即可明显地判别出音质的差异。本文将概述传统的 PSRR 测量方式，并说明这种测量方式何以无法确切判断桥接负载 (BTL) 配置中 D 类放大器的供电抑制性能，同时提供能有效测量 D 类放大器之中供电噪音效应的替代方法。

若要了解 PSRR 测量何以不再能确切判别供电抑制性能，必须先回顾 AB 类放大器主导消费性音频电子产品的那段历史。AB 类放大器过去的配置都采用单端 (SE) 或 BTL 输出配置，这与现今的配置相同。事实上，SE AB 类放大器一般都使用分支轨电源 (split rail supply) (亦即 +/- 12V)，因为电源供应主要采用变压器的型态，而且加入第二个轨不会导致成本负担。BTL 配置较常用于非分支轨电源的音频系统。然而，不论是 SE 或 BTL 配置，通过 AB 类放大器的基本架构以及低于电源轨电压的输出电压，AB 类放大器都能达到良好的 PSRR。

针对 AB 类放大器，PSRR 测量能够较准确地指出放大器抑制电源噪音的能力，尤其是对于 SE 配置 (详见下文)。首先让我们来了解 D 类放大器对于市场的影响。D 类放大器的高效运作改变了市场的生态，使得工业设计出现大量的创新，尤其是体积尺寸的缩减。然而，这类放大器的架构与 AB 类放大器有根本上的差异，而且几乎清一色地选用 BTL 作为其输出配置。

在 BTL 配置中，D 类放大器具备由四个 FETS 组成的两个输出级 (也称为全桥式)。SE D 类放大器则只有由两个 FETS 组成的单一输出级 (也称为半桥式)。相较于 SE 配置，BTL 输出配置具有多项优点，包括特定电源轨的四倍输出功率、较佳的低音回应，以及绝佳的开关噪音抑制性能。BTL 架构的缺点则是需要两倍数量的 FET 电晶体，这表示晶粒的大小尺寸及相关成本增加，而且重建滤波器 (LC 滤波器) 的成本加倍。在现今 SE 及 BTL D 类放大器并行的市场中，BTL 占了绝大多数。

在 D 类 BTL 配置中，传统的 PSRR 测量无法发挥效用。为了深入了解其中的原因，就必须先了解 D 类放大器的运作方式以及 PSRR 的测量方式。D 类放大器是切换放大器，输出会以极高的频率在轨与轨之间切换，而此频率一般在 250kHz 以上。音频会用来进行切换频率 (方波) 的脉冲宽度调变 (PWM)，然后重建滤波器 (LC 滤波器) 会用来撷取载波频率中的音频。这类切换架构的性能相当高 (架构与开关模式电源供应相同)，但是对于供电噪音的敏感度也远远高于传统的 AB 类放大器。再仔细想想，放大器的输出基本上是电源轨 (经过脉冲宽度调变)，因此任何出现的供电噪音都会直接传送到放大器的输出。

供电抑制比 (PSRR) 是测定放大器抑制供电噪音 (亦即纹波) 达到何种程度的测量方式。这是选用音频放大器时必须考虑的重要参数，因为 PSRR 不佳的音频放大器通常需要高成本的电源供应及/或大型去耦合电容。在消费市场中，电源供应的成本、尺寸及重量是重要的设计考虑，尤其在体积外型不断缩小、价格急速下滑，而且便携式设计日益普遍的情况下更是如此。

在传统的 PSRR 测量中，放大器的电源电压包含 DC 电压及 AC 纹波信号 (Vripple)。音频输出为 AC 接地，因此测量期间不会有任何音频。由于所有的电源电压去耦合电容都已移除，因此 Vripple 不会明显减弱 (图 1)。此时会测量输出信号，然后使用等式 1 计算 PSRR：

等式 (1)

图 1. 传统的 PSRR 测量

图 2 显示在 D 类 BTL 音频放大器上进行的传统 PSRR 测量。重建滤波器前后的输出明显出现供电噪音，不过，请注意出现的噪音在负载中为同相位 (in-phase)。因此，测量 PSRR 时，Vout+ 与 Vout- 纹波会相互抵消，产生出供电抑制的错误指示，但是，可以清楚地看到放大器正将电源噪音直接传送到输出。这类 PSRR 测量无法指出放大器抑制供电噪音的优劣程度，而 PSRR 测量无法发挥效用的主因是输入在测量期间为 AC 接地。在实际应用中，放大器的功用是播放音乐，这正是必须考虑的部分。