自動(dòng)電平控制(ALC)為揚(yáng)聲器提供有效保護(hù)

摘要：在筆記本電腦和便攜DVD應(yīng)用中，音頻系統(tǒng)存在一個(gè)問題，即揚(yáng)聲器的動(dòng)態(tài)范圍有限，無法滿足實(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?。本?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)聲器帶來的音頻問題。

概述

對于一個(gè)操作系統(tǒng)的告警音或類似的音頻信號，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，對于動(dòng)態(tài)范圍比較寬的DVD音頻信號，筆記本電腦揚(yáng)聲器的局限性更加明顯。對話和音響效果的音量差異非常大，從而迫使用戶提高對話情況下的音量，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)置過高，使動(dòng)態(tài)峰值失真；要么將音量設(shè)置過低，從而影響對話質(zhì)量。對于采用小尺寸揚(yáng)聲器的筆記本電腦來說，這個(gè)問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)聲器引起的問題。雖然放大器本身在不增大工作電壓的情況下無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其余部分更加匹配的水平，那么就可以增加整個(gè)信號的音量而不會(huì)出現(xiàn)波峰的削波失真。這就是通常所說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，無論輸入信號如何增大，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，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)探測到輸出信號超過了設(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，壓縮比幾乎是無窮大(圖1)。


圖1. 對于低電平音量，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

限幅器對信號幅度變化的響應(yīng)速度可以顯著的影響音效。當(dāng)輸出信號超過閾值，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，并且通過施加在DR引腳的電壓變化調(diào)整。通過將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)小幅度信號上突發(fā)一個(gè)大幅度脈沖的效果。隨著增益陡降，大信號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)短暫的大信號可以觀察到自動(dòng)電平控制ALC的完整過程，放大器MAX9756的保持時(shí)間為50ms，響應(yīng)和釋放時(shí)間可以通過外部元器件調(diào)整。

響應(yīng)和釋放時(shí)間的長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)電平控制快速地對信號幅度變化做出反應(yīng)，即使出現(xiàn)非常短的信號尖峰，也能夠提供有效防護(hù)。確保大幅度信號下不損害揚(yáng)聲器，但是，當(dāng)按照信號的動(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。

對于一個(gè)不斷變換信號幅度的電影配樂來說，采用比較長的時(shí)間常數(shù)可以避免噪聲，優(yōu)化音頻質(zhì)量。這種情況下，增益在信號強(qiáng)度快速變化的時(shí)候保持相對固定，只對長時(shí)間的高強(qiáng)度信號進(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幅度。

通過監(jiān)測增益衰減控制電壓和信號波形(圖3)，可以觀察到較長和較短響應(yīng)、釋放時(shí)間的效果。為了產(chǎn)生有代表性的波形，輸入信號采用的是滿音量的音頻信號。在總體信號強(qiáng)度相對恒定的波形中，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的對應(yīng)數(shù)值時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生削波。MAX9756放大器能夠通過選擇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)?？梢酝ㄟ^下列等式計(jì)算這個(gè)電阻值(這里以1.4W閾值為例)：



通過調(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)聲器受到長期的強(qiáng)變化信號的損害。削波不僅聽起來音響效果差，甚至可以對揚(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. 從小信號到大信號的躍變過程中，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。無窮大的壓縮比意味著輸入信號增大時(shí)對輸出沒有任何影響，從而得到一個(gè)沒有活力的、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)減小音頻信號的動(dòng)態(tài)范圍，但不是完全消除。通過圖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)對性能的改善

自動(dòng)電平控制(ALC)帶來的性能提高非常明顯(圖7)。圖(a)表示沒有自動(dòng)電平控制(ALC)情況下，DVD信號出現(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) 沒有ALC時(shí)，強(qiáng)輸入信號造成輸出嚴(yán)重削波；(b) 同樣輸入波形下，ALC工作時(shí)，輸出波形沒有削波失真。

用戶可以調(diào)高音量改善對話效果，并且不用擔(dān)心出現(xiàn)其它強(qiáng)音信號，音質(zhì)也會(huì)因?yàn)楸苊饬讼鞑ǘ玫礁纳?。此外，自?dòng)電平控制(ALC)延長了揚(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。