闭回路架构综观

在音频领域中，对于闭回路和开放回路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所在。在HDTV领域中，闭回路放大器无疑功效最佳。不过，在高阶音频领域中，关于这两种架构的争论仍然持续不休。闭回路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。

概念上可以将闭回路放大器视为「预失真」（图一）。回馈网络会将放大器的输出取样，放大器的输出包含扩大的讯号，以及放大器或电源供应引入讯号的任何非线性失真。输出取样接着会减弱和反相，再与内送的来源讯号再结合。总和节点 （A点）发出的讯号是减弱的输入讯号，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」。放大器随后扩大该讯号，增加非线性失真。由于来源讯号经过回馈网络的预失真，因此会产生预失真及失真的抵销作用，而产生极为线性的讯号。这是负回馈的基本优点，如此的机制可用来动态调整系统中的非线性失真。在开放回路架构中，并不存在如此的机制。因此，放大器线性及电源调节的效能需要较高，一般来说会造成成本增加及/或效能降低。

《图一 闭回路示意图》 - BigPic:600x224

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。

闭回路放大器的输出阻抗相当低，因此阻尼系数相当高。在闭回路系统中，增加电压输出可使得回馈补偿放大器的输出电阻电压降低。增加输出电压的效果等同于减少回馈放大器的输出阻抗。

为了更加了解低输出阻抗如何更有效地控制喇叭，需要先了解喇叭的运作方式。假设有三个周期的80Hz省电模式讯号传导到喇叭的端子，讯号传导到端子时，会驱动电流通过发音圈，而产生电动势（EMF）使得喇叭圆锥体振动。理论上，一旦讯号中断，喇叭会立即停止于休止位置。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：一、透过喇叭悬吊及隔膜空气负载进行的机械式阻尼，以及二、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。

讯号中断后，喇叭会开始振动，此时会产生「阻尼」反向EMF，而使得喇叭圆锥体停止振动。此EMF会产生电流，经由放大器的输出阻抗从其中一个端子流向另一个端子。阻抗愈小，电流愈大，因此阻尼EMF就会愈强。概括来说，低输出阻抗可产生较大的反向EMF电流，使得振动的阻尼愈强。

图二显示以80Hz省电模式讯号驱动重低音喇叭经过三个周期的封闭回路放大器 （洋红色）及开放回路放大器 （红色）。其中的峰间振幅为28V，而80Hz讯号接近重低音喇叭的共振频率。在图三中，可清楚看出闭回路放大器减弱振动的速度比开放回路放大器快。除了阻尼较强之外，闭回路放大器也能够比开放回路放大器更快开始喇叭圆锥体振动。

《图二 80Hz省电模式的三个周期》 - BigPic:600x211

《图三 放大显示阻尼》 - BigPic:600x195

供电抑制优点

根据定义，闭回路系统使用回馈来使系统响应不受外部干扰的影响。开放回路系统不包含任何回馈机制，若要发挥开放回路的效能，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，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，而直接从+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。

《图四 开放回路示意图》 - BigPic:600x138

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回路系统与开放回路系统的优点。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。在开放回路系统中，输入电压与内送的电源供应涟波相互混合（图四）。在零输入时，不会出现混合情形，而且桥接负载上各个输出的干扰都会被消除。在含有正弦曲线输入频率的实时音频系统中，输入频率会与电源供应涟波相互混合，而造成音频频带出现声音及失真。开放回路放大器的增益也可使用电源供应涟波加以调变。如此的效果可从图五的总谐波失真及噪声（THD+N）曲线图看出，该图并将闭回路放大器与开放回路放大器相互比较。

在图五中，100Hz正弦波施加于各个系统的输入，而且其中增加输入电压，以描绘THD+N与8Ohm负载的输出功率。使用的电源供应是现成的12V切换稳压器。驱动5W输出功率进入负载时，在各个放大器的输入端所测得的输入涟波为 300mVp。由于电源供应的需求导致电压涟波增加，使得开放回路系统及闭回路系统的THD+N差异随之增加。这种现象在较低频率更为明显，因为稳压器难以修正较大的输出摆幅。

总结来说，在设计音频电路专用的严格控制系统电源供应时，闭回路系统能够让音频电路设计人员在不增加时间或成本支出的情况下提升音频效能。

《图五 THD+N 与电源比较 – 开放回路及闭回路放大器》

为何选择EMC？

此外，闭回路系统能够使输出转换的升降边缘趋缓，完全不影响总谐波失真或回转率控制。其中闸极驱动器缓慢地从关闭状态转换为开启状态，因此EMC测量中出现更为减弱的系统响应（较低 dV/dt）及更低的峰值。

失效时间是造成D类放大器总谐波失真的关键因素，这是输出半桥的两个MOSFET同时处于关闭状态的时间。在开放回路系统中，两个输出MOSFET的失效时间必须相同，才能避免二阶效应。若要将失效时间减至最低，脉冲宽度调变（PWM）输出边缘的升降会极快地转换。

整合输入讯号 (所需输出响应) 与实际输出响应以及较缓慢边缘转换，闭回路放大器的回馈即可针对较缓慢边缘转换进行修正。

由于不当的电路板配置对于EMC效能极具影响，因此电路板配置与实验相符。另外值得注意的是，闭回路放大器的频谱仅以输出的LC滤波器加以测量。开放回路放大器具有额外的缓冲电路，其中包含各个输出中限制dV/dt的R及C。缓冲电路不仅增加所需的用料列表，也增加所需的电路板空间。对于高成本的四层电路板，减少使用的电路板空间极为重要。避免将工程时间用于EMC除错电路板上，也可节省时间及成本。