閉迴路架構綜觀

在音訊領域中，對於閉迴路和開放迴路架構的爭論已經持續多年。由於終端應用或用戶喜好的不同，這兩種架構各有其支持論點所在。在HDTV領域中，閉迴路放大器無疑功效最佳。不過，在高階音訊領域中，關於這兩種架構的爭論仍然持續不休。閉迴路架構的主要優點包括更佳的線性、增益穩定性、更大的頻寬，以及更低的輸出阻抗，但其中也存在一些缺點，主要包括降低穩定性、降低增益和增加複雜度。

概念上可以將閉迴路放大器視為「預失真」（圖一）。回饋網路會將放大器的輸出取樣，放大器的輸出包含擴大的訊號，以及放大器或電源供應引入訊號的任何非線性失真。輸出取樣接著會減弱和反相，再與內送的來源訊號再結合。總和節點 （A點）發出的訊號是減弱的輸入訊號，其中已預先加入放大器及電源供應非線性的區域出現反相「預失真」。放大器隨後擴大該訊號，增加非線性失真。由於來源訊號經過回饋網路的預失真，因此會產生預失真及失真的抵銷作用，而產生極為線性的訊號。這是負回饋的基本優點，如此的機制可用來動態調整系統中的非線性失真。在開放迴路架構中，並不存在如此的機制。因此，放大器線性及電源調節的效能需要較高，一般來說會造成成本增加及/或效能降低。

《圖一 閉迴路示意圖》 - BigPic:600x224

阻尼係數的優點

阻尼係數是喇叭的阻抗與放大器的輸出阻抗兩者的比例，這表示放大器能夠有效開始和停止喇叭圓錐體振動的控制程度，尤其是在較低頻率及暫態期間。高阻尼係數的放大器一般可重現較精準的低音回應。

閉迴路放大器的輸出阻抗相當低，因此阻尼係數相當高。在閉迴路系統中，增加電壓輸出可使得回饋補償放大器的輸出電阻電壓降低。增加輸出電壓的效果等同於減少回饋放大器的輸出阻抗。

為了更加瞭解低輸出阻抗如何更有效地控制喇叭，需要先瞭解喇叭的運作方式。假設有三個週期的80Hz省電模式訊號傳導到喇叭的端子，訊號傳導到端子時，會驅動電流通過發音圈，而產生電動勢（EMF）使得喇叭圓錐體振動。理論上，一旦訊號中斷，喇叭會立即停止於休止位置。不過，由於在系統中增加了電能，因此必須在喇叭圓錐體停止振動前消耗或減弱電能。喇叭有兩種阻尼：一、透過喇叭懸吊及隔膜空氣負載進行的機械式阻尼，以及二、透過喇叭磁性進行的電子式阻尼。機械式阻尼的屬性與喇叭架構及所用材質有關，而電子式阻尼的屬性則直接受到放大器阻尼係數的影響。

訊號中斷後，喇叭會開始振動，此時會產生「阻尼」反向EMF，而使得喇叭圓錐體停止振動。此EMF會產生電流，經由放大器的輸出阻抗從其中一個端子流向另一個端子。阻抗愈小，電流愈大，因此阻尼EMF就會愈強。概括來說，低輸出阻抗可產生較大的反向EMF電流，使得振動的阻尼愈強。

圖二顯示以80Hz省電模式訊號驅動重低音喇叭經過三個週期的封閉迴路放大器 （洋紅色）及開放迴路放大器 （紅色）。其中的峰間振幅為28V，而80Hz訊號接近重低音喇叭的共振頻率。在圖三中，可清楚看出閉迴路放大器減弱振動的速度比開放迴路放大器快。除了阻尼較強之外，閉迴路放大器也能夠比開放迴路放大器更快開始喇叭圓錐體振動。

《圖二 80Hz省電模式的三個週期》 - BigPic:600x211

《圖三 放大顯示阻尼》 - BigPic:600x195

供電抑制優點

根據定義，閉迴路系統使用回饋來使系統回應不受外部干擾的影響。開放迴路系統不包含任何回饋機制，若要發揮開放迴路的效能，必須將外部干擾減至最低。

對於音訊放大器而言，其中一個主要的外部干擾來自電源供應。透過電容或使用專屬切換式電源供應，即可將干擾減至最低。在LCD電視中，不透過無干擾切換式電源供應，而直接從+12V或+24V背光電源供應驅動音訊放大器，即可大幅減少系統成本。

《圖四 開放迴路示意圖》 - BigPic:600x138

一般是以電源抑制來衡量放大器是否能夠抑制電源供應干擾；不過，這種技術無法突顯橋接輸出配置的閉迴路系統與開放迴路系統的優點。這種技術將輸出接地至放大器，並且在DC電源供應上增加頻率元件，以調變電源供應。在開放迴路系統中，輸入電壓與內送的電源供應漣波相互混合（圖四）。在零輸入時，不會出現混合情形，而且橋接負載上各個輸出的干擾都會被消除。在含有正弦曲線輸入頻率的即時音訊系統中，輸入頻率會與電源供應漣波相互混合，而造成音訊頻帶出現聲音及失真。開放迴路放大器的增益也可使用電源供應漣波加以調變。如此的效果可從圖五的總諧波失真及雜訊（THD+N）曲線圖看出，該圖並將閉迴路放大器與開放迴路放大器相互比較。

在圖五中，100Hz正弦波施加於各個系統的輸入，而且其中增加輸入電壓，以描繪THD+N與8Ohm負載的輸出功率。使用的電源供應是現成的12V切換穩壓器。驅動5W輸出功率進入負載時，在各個放大器的輸入端所測得的輸入漣波為 300mVp。由於電源供應的需求導致電壓漣波增加，使得開放迴路系統及閉迴路系統的THD+N差異隨之增加。這種現象在較低頻率更為明顯，因為穩壓器難以修正較大的輸出擺幅。

總結來說，在設計音訊電路專用的嚴格控制系統電源供應時，閉迴路系統能夠讓音訊電路設計人員在不增加時間或成本支出的情況下提升音訊效能。

《圖五 THD+N 與電源比較 – 開放迴路及閉迴路放大器》

為何選擇EMC？

此外，閉迴路系統能夠使輸出轉換的升降邊緣趨緩，完全不影響總諧波失真或迴轉率控制。其中閘極驅動器緩慢地從關閉狀態轉換為開啟狀態，因此EMC測量中出現更為減弱的系統回應（較低 dV/dt）及更低的峰值。

失效時間是造成D類放大器總諧波失真的關鍵因素，這是輸出半橋的兩個MOSFET同時處於關閉狀態的時間。在開放迴路系統中，兩個輸出MOSFET的失效時間必須相同，才能避免二階效應。若要將失效時間減至最低，脈衝寬度調變（PWM）輸出邊緣的升降會極快地轉換。

整合輸入訊號 (所需輸出回應) 與實際輸出回應以及較緩慢邊緣轉換，閉迴路放大器的回饋即可針對較緩慢邊緣轉換進行修正。

由於不當的電路板配置對於EMC效能極具影響，因此電路板配置與實驗相符。另外值得注意的是，閉迴路放大器的頻譜僅以輸出的LC濾波器加以測量。開放迴路放大器具有額外的緩衝電路，其中包含各個輸出中限制dV/dt的R及C。緩衝電路不僅增加所需的用料清單，也增加所需的電路板空間。對於高成本的四層電路板，減少使用的電路板空間極為重要。避免將工程時間用於EMC除錯電路板上，也可節省時間及成本。