【導(dǎo)讀】在筆記本電腦和便攜DVD應(yīng)用中，音頻系統(tǒng)存在一個(gè)問(wèn)題，即揚(yáng)聲器的動(dòng)態(tài)范圍有限，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。由于受產(chǎn)品尺寸的制約，揚(yáng)聲器的尺寸非常小，只能在有限的頻率范圍內(nèi)提供適當(dāng)?shù)穆晧骸１緫?yīng)用筆記介紹了一種自動(dòng)電平控制(ALC)技術(shù)，有助于解決使用小揚(yáng)聲器帶來(lái)的音頻問(wèn)題。
概述
對(duì)于一個(gè)操作系統(tǒng)的告警音或類似的音頻信號(hào)，典型的動(dòng)態(tài)范圍即非常有限，用戶在調(diào)高音量的時(shí)候不會(huì)考慮動(dòng)態(tài)峰值引起的失真。另一方面，對(duì)于動(dòng)態(tài)范圍比較寬的DVD音頻信號(hào)，筆記本電腦揚(yáng)聲器的局限性更加明顯。對(duì)話和音響效果的音量差異非常大，從而迫使用戶提高對(duì)話情況下的音量，而在強(qiáng)背景音的情況下調(diào)低音量，以避免削波失真。
在不調(diào)整音量的情況下，用戶要么將音量設(shè)置過(guò)高，使動(dòng)態(tài)峰值失真；要么將音量設(shè)置過(guò)低，從而影響對(duì)話質(zhì)量。對(duì)于采用小尺寸揚(yáng)聲器的筆記本電腦來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題可能造成用戶幾乎不能收看DVD。
自動(dòng)電平控制理論
具有自動(dòng)電平控制(ALC)的放大器可以幫助解決由于小揚(yáng)聲器引起的問(wèn)題。雖然放大器本身在不增大工作電壓的情況下無(wú)法提高其最大輸出電壓，并且也不能增大小揚(yáng)聲器的功率，但是，它可以在播放音頻的時(shí)候動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓的有效值。如果音頻波形的波峰(在預(yù)定義的閾值以上)被降低到與音頻信號(hào)其余部分更加匹配的水平，那么就可以增加整個(gè)信號(hào)的音量而不會(huì)出現(xiàn)波峰的削波失真。這就是通常所說(shuō)的基于壓縮比的壓縮或者限幅器，這些技術(shù)在整個(gè)音頻工業(yè)已經(jīng)非常成熟。
當(dāng)信號(hào)高于壓縮門限的時(shí)候，小的壓縮比(例如2:1)將把輸入端的4dB增量在輸出端降低到2dB。較大的壓縮比(20:1或更大)被歸為限幅，因?yàn)橐坏┻_(dá)到這一門限，無(wú)論輸入信號(hào)如何增大，輸出波形都將保持固定幅度。壓縮一般作用在錄音和混音級(jí)，但也可以作用在音頻數(shù)據(jù)流。
例如，MAX9756放大器，其自動(dòng)電平控制(ALC)基本上就像一個(gè)限幅器。當(dāng)探測(cè)到輸出信號(hào)超過(guò)了設(shè)定門限時(shí)，就會(huì)縮減增益，保持輸出在門限以下。 MAX9756在門限以上的增益響應(yīng)接近平坦，壓縮比幾乎是無(wú)窮大(圖1)。
圖1. 對(duì)于低電平音量，放大器如同一個(gè)普通的線性放大器；當(dāng)音量超過(guò)閾值時(shí)，縮減增益以避免輸出超出門限。當(dāng)輸出電壓增大到門限以上時(shí)，最大增益衰減量限制在6dB。
自動(dòng)電平控制(ALC)時(shí)序
限幅器對(duì)信號(hào)幅度變化的響應(yīng)速度可以顯著的影響音效。當(dāng)輸出信號(hào)超過(guò)閾值，增益衰減的速度用響應(yīng)時(shí)間表示。隨后，增益將保持在衰減后的水平，直到信號(hào)幅度降至門限以下。釋放時(shí)間表示放大器將增益恢復(fù)到原始值的速度。放大器MAX9756的響應(yīng)時(shí)間由連接在CT引腳和地之間的電容決定。下式可以由電容值導(dǎo)出啟動(dòng)時(shí)間：
釋放時(shí)間是按照響應(yīng)時(shí)間的比例計(jì)算的，并且通過(guò)施加在DR引腳的電壓變化調(diào)整。通過(guò)將DR引腳連接到VDD、VBIAS或GND，可以選擇三種比例之一。MAX9756為所有釋放時(shí)間增加了50ms的固定保持時(shí)間，保持時(shí)間內(nèi)增益不發(fā)生變化。
圖2表示一個(gè)小幅度信號(hào)上突發(fā)一個(gè)大幅度脈沖的效果。隨著增益陡降，大信號(hào)脈沖的幅度在輸出波形上被明顯衰減。圖中控制增益降低的電壓是CT引腳外接電容的電壓，由電容設(shè)置響應(yīng)時(shí)間。控制電壓在指定時(shí)間內(nèi)和增益衰減(dB)成比例。
圖2. 施加一個(gè)短暫的大信號(hào)可以觀察到自動(dòng)電平控制ALC的完整過(guò)程，放大器MAX9756的保持時(shí)間為50ms，響應(yīng)和釋放時(shí)間可以通過(guò)外部元器件調(diào)整。
響應(yīng)和釋放時(shí)間的長(zhǎng)短要符合聲源的特點(diǎn)和音效要求。較短的時(shí)間常數(shù)可以使自動(dòng)電平控制快速地對(duì)信號(hào)幅度變化做出反應(yīng)，即使出現(xiàn)非常短的信號(hào)尖峰，也能夠提供有效防護(hù)。確保大幅度信號(hào)下不損害揚(yáng)聲器，但是，當(dāng)按照信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化而快速調(diào)節(jié)增益時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生“砰然”聲或“喘息”聲。
對(duì)于一個(gè)不斷變換信號(hào)幅度的電影配樂(lè)來(lái)說(shuō)，采用比較長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)可以避免噪聲，優(yōu)化音頻質(zhì)量。這種情況下，增益在信號(hào)強(qiáng)度快速變化的時(shí)候保持相對(duì)固定，只對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的高強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整，給放大器足夠的響應(yīng)時(shí)間。揚(yáng)聲器保護(hù)仍然有效，因?yàn)樽詣?dòng)電平控制(ALC)降低了大部分可能造成損害的信號(hào)幅度。
通過(guò)監(jiān)測(cè)增益衰減控制電壓和信號(hào)波形(圖3)，可以觀察到較長(zhǎng)和較短響應(yīng)、釋放時(shí)間的效果。為了產(chǎn)生有代表性的波形，輸入信號(hào)采用的是滿音量的音頻信號(hào)。在總體信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)恒定的波形中，較短的響應(yīng)和釋放時(shí)間會(huì)導(dǎo)致頻繁的增益調(diào)整。而較長(zhǎng)的響應(yīng)和釋放時(shí)間則維持平滑的增益響應(yīng)，避免放大器響應(yīng)過(guò)快，從而在基本保留動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)維持整個(gè)信號(hào)的幅度。
圖3. 短的響應(yīng)和釋放時(shí)間(a) 引起增益調(diào)整頻繁變化，可能降低音響效果。長(zhǎng)的響應(yīng)和釋放時(shí)間(b) 產(chǎn)生平滑的增益響應(yīng)。
自動(dòng)電平控制(ALC)的閾值
筆記本電腦內(nèi)的揚(yáng)聲器放大器一般工作在5V電源下。采用8Ω揚(yáng)聲器，在橋接負(fù)載(BTL)配置下，理論上可提供的最大連續(xù)功率是：
基于5V工作電壓，輸入幅度高于最大POUT的對(duì)應(yīng)數(shù)值時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生削波。MAX9756放大器能夠通過(guò)選擇PREF和地之間的電阻調(diào)整增益衰減的閾值(MAX9756給這個(gè)電阻注入12µA的恒定電流)。可以通過(guò)下列等式計(jì)算這個(gè)電阻值(這里以1.4W閾值為例)：
通過(guò)調(diào)整RPREF值改變門限，如果音響系統(tǒng)受揚(yáng)聲器功率容量的限制，可以設(shè)置閾值，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于放大器的最大輸出功率，確保不超出揚(yáng)聲器的功率容量。如果揚(yáng)聲器可以承受放大器的滿輸出功率，則設(shè)置閾值剛好低于限幅電平，優(yōu)化音質(zhì)并避免揚(yáng)聲器受到長(zhǎng)期的強(qiáng)變化信號(hào)的損害。削波不僅聽(tīng)起來(lái)音響效果差，甚至可以對(duì)揚(yáng)聲器造成永久性損壞。 揚(yáng)聲器的機(jī)械元件很難恢復(fù)削波信號(hào)的陡峭沿，時(shí)間久了還會(huì)導(dǎo)致失效。
圖4是設(shè)置閾值剛好低于放大器最大輸出功率時(shí)的效果。輸入信號(hào)是高低幅度交錯(cuò)的正弦波。輸出波形在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)被明顯削波，但是當(dāng)增益衰減完成后，即可避免削波現(xiàn)象。
圖4. 從小信號(hào)到大信號(hào)的躍變過(guò)程中，輸出波形最初發(fā)生削波失真，但當(dāng)增益衰減后，輸出波形又回到了期望的正弦波狀態(tài)。
降低壓縮比
MAX9756所提供的限幅功能有助于保護(hù)揚(yáng)聲器、避免削波，但在自動(dòng)電平控制(ALC)有效時(shí)，它將完全消除動(dòng)態(tài)變化。無(wú)窮大的壓縮比意味著輸入信號(hào)增大時(shí)對(duì)輸出沒(méi)有任何影響，從而得到一個(gè)沒(méi)有活力的、單調(diào)的音頻效果。如果不要求嚴(yán)格控制輸出波形，較低的壓縮比即可在避免削波的同時(shí)維持一定的動(dòng)態(tài)變化。較低的壓縮比會(huì)減小音頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，但不是完全消除。通過(guò)圖5外圍電路，MAX9756可以得到更低的壓縮比。
圖5. MAX9756外加一個(gè)MAX4400運(yùn)算放大器和電阻(R2)，可以降低ALC的壓縮比。
運(yùn)算放大器MAX4400緩沖MAX9756的CT輸出，以確保外部電路不影響CT電壓，從而不影響釋放時(shí)間。MAX4400的典型輸入阻抗是1000GΩ，消除了可能會(huì)提前給電容放電的漏電流。 運(yùn)算放大器的輸出通過(guò)R2反饋到PREF。R1和R2分壓器決定新的自動(dòng)電平控制ALC閾值。具體閾值由下式?jīng)Q定：
到達(dá)閾值之前，引腳PREF的等效阻抗是R1和R2的并聯(lián)，因?yàn)檫@兩個(gè)電阻同時(shí)都被連接到地。因此，在此配置中設(shè)置這兩個(gè)并聯(lián)電阻就可以設(shè)置自動(dòng)電平控制ALC閾值。等式右邊是先前提到的RPREF計(jì)算公式，等式左邊是R1和R2的并聯(lián)阻值。
R2與R1的比決定壓縮比。當(dāng)R2遠(yuǎn)大于R1時(shí)，自動(dòng)電平控制ALC有一個(gè)和MAX9756標(biāo)準(zhǔn)硬限幅配置類似的高壓縮比。當(dāng)R2小于R1 時(shí)，ALC具有低壓縮比，并且在音頻信號(hào)中保持大部分原有的動(dòng)態(tài)變化范圍。為了得到3:1的壓縮比，設(shè)R2是R1的2.5倍。圖6給出了MAX9756標(biāo)準(zhǔn)限幅配置和R2/R1 = 2.5時(shí)的電壓增益效果。
圖6. 與MAX9756標(biāo)準(zhǔn)限幅配置相比，配合外部電路后能夠得到平緩的增益調(diào)節(jié)。
自動(dòng)電平控制(ALC)對(duì)性能的改善
自動(dòng)電平控制(ALC)帶來(lái)的性能提高非常明顯(圖7)。圖(a)表示沒(méi)有自動(dòng)電平控制(ALC)情況下，DVD信號(hào)出現(xiàn)較強(qiáng)聲音時(shí)的輸出波形；圖(b)表示在相同的輸入和相同的音量設(shè)置下，自動(dòng)電平控制(ALC)的工作效果。
圖7. (a) 沒(méi)有ALC時(shí)，強(qiáng)輸入信號(hào)造成輸出嚴(yán)重削波；(b) 同樣輸入波形下，ALC工作時(shí)，輸出波形沒(méi)有削波失真。
用戶可以調(diào)高音量改善對(duì)話效果，并且不用擔(dān)心出現(xiàn)其它強(qiáng)音信號(hào)，音質(zhì)也會(huì)因?yàn)楸苊饬讼鞑ǘ玫礁纳啤４送猓詣?dòng)電平控制(ALC)延長(zhǎng)了揚(yáng)聲器的壽命(減少削波)，并且?guī)椭Ｗo(hù)低功率揚(yáng)聲器。最大音量設(shè)置比不帶ALC的同等系統(tǒng)提高了6dB。
自動(dòng)電平控制(ALC)也可以通過(guò)數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，或由現(xiàn)有的DSP硬件實(shí)現(xiàn)；可以采用復(fù)雜、完善的處理過(guò)程，比如多頻帶壓縮，進(jìn)一步提高音質(zhì)，增強(qiáng)揚(yáng)聲器保護(hù)。但這種方案使數(shù)字域的ALC成為一個(gè)龐大的DSP系統(tǒng)，要求更多的計(jì)算周期和更大的功耗。另一方面，對(duì)于電池壽命要求苛刻的筆記本電腦和手持DVD播放器，將模擬ALC集成在揚(yáng)聲器放大器是一個(gè)很好的折衷。
本文來(lái)源于Maxim。
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