摘要

TPA2028D1 是 TI 針對便攜設備推出的具有 AGC/DRC 功能的低功耗 D類(lèi)放大器。由于性能突出，在業(yè)界得到了廣泛的應用。而其本身可以通過(guò) I2C 進(jìn)行配置，從而使得設計者能夠根據不同的應用，優(yōu)化芯片設置，獲得更好的效果。

本文討論了怎樣優(yōu)化 TPA2028D1 設置，使其能夠更好的快速響應智能手機等設備中的突發(fā)音，例如鍵盤(pán)音，提示音等信號。

1.介紹

TPA2028D1 是 TI 針對移動(dòng)設備推出的高效率 D 類(lèi)放大器。所集成的 DRC 和 AGC 功能能夠根據輸入信號的大小自動(dòng)調整放大器的增益，以達到防止功放削波失真的目的，并且有效的提升輸出平均功率，從而改善音樂(lè )的回放效果。

TPA2028D1 具有靈活的可配置性。設計者能夠通過(guò) I2C 訪(fǎng)問(wèn)其寄存器，對放大器使能，增益，響應速度等多個(gè)參數進(jìn)行配置，使其能夠針對不同的應用場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化。

由于 DRC 和 AGC 會(huì )根據信號大小調節增益，針對連續的音樂(lè )信號需要設置一定的 Attack Time 和Release Time 來(lái)保證優(yōu)良的回放效果。但是對于突發(fā)音信號維持時(shí)間過(guò)短，并且由于省電的需要，需要在播放前使能 TPA2028D1，并在播放結束后將其關(guān)閉。因此一些設計中，在播放例如鍵盤(pán)音或拍照音的時(shí)候存在聲音過(guò)小，或聲音漸變等現象。

本文通過(guò)對此現象的成因進(jìn)行分析，討論了如何通過(guò)優(yōu)化芯片參數的設置，解決類(lèi)似問(wèn)題的方法。

2.TPA2028的兩種關(guān)閉/使能方式

TPA2028可以通過(guò)硬件和軟件兩種方式進(jìn)行關(guān)閉和使能。

• 通過(guò)芯片 EN管腳，硬件的使能關(guān)閉方式；
• 通過(guò)芯片寄存器 0x01 bit6 EN和 bit5 SWS，軟件的使能關(guān)閉方式

2.1 硬件關(guān)閉/使能

關(guān)閉：

• EN管腳置低，芯片進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，所有寄存器被清除

使能：

• EN管腳置高，芯片進(jìn)入使能狀態(tài)，所有寄存器進(jìn)入初始狀態(tài)，如 Table 1。由于在初始狀態(tài)寄存器 0x01 EN=1 SWS=0 ，功放部分使能，可以直接進(jìn)行播放；

Table 1. TPA2028D1寄存器初始值 

TPA2028D1的設計為，芯片使能后放大器初始增益由 Fixed Gain決定。而 TPA2028D1 Fixed Gain寄存器 Reg5/bit5:0 初始值為 00110，即 6dB，因此在此狀態(tài)下放大器的增益初始值固定為 6dB。由于Max Gain寄存器 Reg7/bit7:4初始值為 30dB，因此此時(shí)播放的信號以 Release time寄存器 Reg3/bit5:0的初始值 1.81秒/6dB的速度，從 6dB慢慢向 30dB增加。如 Figure 1所示。因此會(huì )造成明顯的淡入效果，對于存在時(shí)間過(guò)于短暫的信號，則造成過(guò)小的現象。

Figure 1. 硬件使能 TPA2028D1增益遞增 

2.2軟件關(guān)閉/使能

關(guān)閉：

• EN=0 （Reg1/bit6）或者 SWS=1 (Reg1/bit5)

使能：

• EN=1 （Reg1/bit6）或者 SWS=0 (Reg1/bit5)

EN 和 SWS 不會(huì )清除寄存器的設定狀態(tài)，所有寄存器值維持原先的設置，因此 TPA2028D1 在軟件使能之后可以按照設定的 Fixed Gain和 Max Gain以及 Release Time進(jìn)行變化。如 Figure 2所示。因此只需要設置合適的 Fixed Gain, Max Gain 和 Release Time，就可以控制這種變化，從而消除 AGC和DRC帶來(lái)的淡入淡出問(wèn)題。

Figure 2. 硬件使能 TPA2028D1增益遞增 

值得注意的是，由于芯片內部狀態(tài)的建立需要時(shí)間，因此會(huì )產(chǎn)生一定的輸出延遲。TPA2028 的延遲在 6ms 左右，由于這個(gè)時(shí)間相對 Ramp up 的時(shí)間相對短暫，而且處理器播放突發(fā)音時(shí)普遍存在一定的延遲，所以在一般的設計中輸出延遲可以忽略。但如果在實(shí)際的應用中有處理器播放未加延遲的情況，則可以通過(guò)在處理器播放突發(fā)音文件前加入 6ms延遲來(lái)解決。

Figure 3. 輸出延遲 

3. 利用不同的應用模式選擇合適的參數設置

根據上面對突發(fā)音淡入現象原因的分析，為了解決 TPA2028D1 對突發(fā)音信號的響應問(wèn)題，解決問(wèn)題的方式為:

• 用軟件使能 TPA2028D1代替硬件使能；
• 縮小設置的 Fixed Gain和 Max Gain之間的差別。

但由于音樂(lè )播放等應用中，Fixed Gain和 Max Gain仍需要存在一定的差別。因此我們可以通過(guò)：

• 找到一組中間參數能夠平衡連續的音樂(lè )播放和突發(fā)音播放效果；
• 根據不同的應用判斷是否存在突發(fā)音的播放，分別針對連續音樂(lè )的播放和突發(fā)音的播放設置兩套不同的參數。由于在實(shí)際應用中，使能 TPA2028D1，播放突發(fā)音，再關(guān)閉，的應用都是在一些特定的應用下進(jìn)行。例如播放拍照音時(shí)，設備一般處于拍照狀態(tài)；鍵盤(pán)音，設備處于鍵盤(pán)輸入狀態(tài)。因此我們可以根據不用的應用決定 TPA2028 參數的設置，使得在消除突發(fā)音淡入淡出效果時(shí)，不影響到音樂(lè )的播放效果。

由于現存的智能便攜設備操作系統應用程序處于 UI層，而控制 TPA2028D1的驅動(dòng)處于驅動(dòng)層，因此需要通過(guò)驅動(dòng)讀取操作系統的相關(guān) log文件對于應用程序進(jìn)行判斷。

3.1適合突發(fā)音的設置

由于快速信號和音樂(lè )動(dòng)態(tài)范圍和播放幅度不一樣，因此可以選擇獨立于音樂(lè )播放之外的另一套更適合快速信號播放的 TPA2028的參數。

選擇提示音播放增益。因為 TPA2028在芯片輸出使能后，增益會(huì )從 Fixed Gain向 Max Gain變化，因此縮小 Fixed Gain 與 Max Gain 的區別（3dB 以?xún)鹊脑鲆孀兓�一般不�?huì )引起聽(tīng)覺(jué)響度明顯的變化），能夠限制 Gain的大幅變化。

選擇這個(gè)增益時(shí)還需要注意信號幅度和最大音量之間的關(guān)系，防止提示音過(guò)小或過(guò)大引起的問(wèn)題。對于峰峰值在 500mV左右的輸出信號，建議的增益設置在 18dB~22dB之間。

由于快速信號動(dòng)態(tài)范圍相對固定，因此一般不需要 DRC的介入，因此建議設置壓縮比為 1:1。

當增益的變化被控制在較小的變化范圍以?xún)�，Attack Time, Hold Time和 Release Time等參數對于漸變的影響就變得相對較小，但仍建議盡量減小將這幾個(gè)參數的值。

此外，因為軟件關(guān)閉芯片后，芯片的 I2C 部分仍然使能，因此相比硬件關(guān)閉芯片功耗要高。在 3.6V至 4.2V 范圍內，硬件關(guān)閉芯片，靜態(tài)電流在 0.2uA 至 0.3uA 之間。而使用軟件關(guān)閉芯片后，芯片的靜態(tài)電流在 50uA至 65uA之間。因此在設備進(jìn)入待機后可以硬件關(guān)閉 TPA2028。

3.2突發(fā)音設置的時(shí)序控制

因為在開(kāi)機或者退出待機狀態(tài)等情況下，仍然存在 EN 從拉低狀態(tài)到拉高狀態(tài)的變化，此時(shí)TPA2028D1 所有寄存器值均為初始狀態(tài)。因此在一次進(jìn)入突發(fā)音播放的情況下，我們需要設置芯片寄存器參數，使其適合突發(fā)音信號的播放。而使用軟件使能和關(guān)閉芯片，不會(huì )清除寄存器的狀態(tài)，因此之后使用軟件關(guān)閉芯片后，再次使能前則不需要重新設置寄存器參數。

首次使能時(shí)序的控制：

• 將 EN管腳拉高，使能芯片；
• 在 6ms內使用 I2C將 SWS設置為 1，軟件關(guān)閉 TPA2028；
• 設置 Fixed Gain和 Max Gain，以及 Attack/Release Time；
• 使用 I2C將 SWS設置為 0，軟件使能 TPA2028；
• 延遲 6ms后開(kāi)始進(jìn)行突發(fā)音的播放。

關(guān)閉時(shí)序的控制：

• 保持 EN管腳拉高，芯片一直處于使能狀態(tài)；
• 使用 I2C將 SWS設置為 1，軟件關(guān)閉 TPA2028；

再次使能時(shí)序的控制

• 使用 I2C將 SWS設置為 0，軟件使能 TPA2028；
• 延遲 6ms后開(kāi)始進(jìn)行突發(fā)音的播放。

3.3實(shí)際案例

Android 智能手機，TPA2028D1 的應用中，出現了電話(huà)撥號的應用中，連續按撥號鍵，按鍵提示音逐漸變大的現象。

檢查按鍵音播放的流程為：

• 進(jìn)入電話(huà)撥號應用程序后，TPA2028D1的 EN管腳被拉低；
• 處理器得到按鍵鍵值后，讀取按鍵音音頻文件，并同時(shí)拉高 EN腳進(jìn)行播放；
• 延時(shí) 1秒，如果沒(méi)有其他鍵按下，則拉低 EN腳關(guān)閉 TPA2028D1。

用 1kHz連續信號代替按鍵音，實(shí)測 TPA2028D1輸出波形如 Figure 4，信號緩慢增加，音量由小到大漸變。

Figure 4. 實(shí)際案例更改前 TPA2028D1輸出遞增波形

更改播放時(shí)序如下：

• 進(jìn)入電話(huà)撥號應用程序后，拉高 TPA2028D1的 EN管腳；
• 通過(guò) I2C設置芯片：
  I2CWrite(0xb0, 0x01, 0xe3); //SWS=1, disable TPA2028D1
  I2CWrite(0xb0, 0x05, 0x1e); //Fixed Gain=30dB
  I2CWrite(0xb0, 0x07, 0xc0); //Max Gain=30dB
• 處理器得到按鍵鍵值后，讀取按鍵音音頻文件，同時(shí)通過(guò) I2C設置芯片：
  I2CWrite(0xb0, 0x01, 0xc3); //SWS=1, enable TPA2028D1
  使能 TPA2028，進(jìn)行按鍵音播放；
• 延時(shí) 1秒，如果沒(méi)有其他鍵按下，則同時(shí)通過(guò) I2C設置芯片：
  I2CWrite(0xb0, 0x01, 0xe3); //SWS=1, disable TPA2028D1
  關(guān)閉 TPA2028。
• 手機推出電話(huà)撥號應用程序后，或者手機進(jìn)入待機狀態(tài)后拉低 TPA2028D1的 EN管腳。
  實(shí)測波形如 Figure 5。實(shí)際使用中，連續按按鍵，按鍵提示音正常。

Figure 5. 實(shí)際案例更改后輸出波形 

4 小結

TPA2028D1由于加入了有效改善音樂(lè )重放效果的 AGC/DRC，其中包含的延遲設置，無(wú)法對于突發(fā)音等短暫信號起到快速響應的效果。在我們的實(shí)際應用中，如果能夠從以下兩個(gè)方面完善設計：

• 判斷播放模式，區分音樂(lè )和突發(fā)音的應用場(chǎng)景，分別優(yōu)化參數設置；
• 以軟件方式使能或者關(guān)閉芯片；

即可達到更優(yōu)的播放效果。