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自動(dòng)電平控制(ALC)為揚聲器提供有效保護
文章來(lái)源：永阜康科技 更新時(shí)間：2018/8/22 11:50:00
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摘要：在筆記本電腦和便攜DVD應用中，音頻系統存在一個(gè)問(wèn)題，即揚聲器的動(dòng)態(tài)范圍有限，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應用的要求。由于受產(chǎn)品尺寸的制約，揚聲器的尺寸非常小，只能在有限的頻率范圍內提供適當的聲壓。本應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聲器帶來(lái)的音頻問(wèn)題。

概述

對于一個(gè)操作系統的告警音或類(lèi)似的音頻信號，典型的動(dòng)態(tài)范圍即非常有限，用戶(hù)在調高音量的時(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，筆記本電腦揚聲器的局限性更加明顯。對話(huà)和音響效果的音量差異非常大，從而迫使用戶(hù)提高對話(huà)情況下的音量，而在強背景音的情況下調低音量，以避免削波失真。

在不調整音量的情況下，用戶(hù)要么將音量設置過(guò)高，使動(dòng)態(tài)峰值失真；要么將音量設置過(guò)低，從而影響對話(huà)質(zhì)量。對于采用小尺寸揚聲器的筆記本電腦來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題可能造成用戶(hù)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聲器的功率，但是，它可以在播放音頻的時(shí)候動(dòng)態(tài)調整輸出電壓的有效值。如果音頻波形的波峰(在預定義的閾值以上)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。

當信號高于壓縮門(mén)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，因為一旦達到這一門(mén)限，無(wú)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據流。

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。當探測到輸出信號超過(guò)了設定門(mén)限時(shí)，就會(huì )縮減增益，保持輸出在門(mén)限以下。 MAX9756在門(mén)限以上的增益響應接近平坦，壓縮比幾乎是無(wú)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(xiàn)性放大器；當音量超過(guò)閾值時(shí)，縮減增益以避免輸出超出門(mén)限。當輸出電壓增大到門(mén)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速度可以顯著(zhù)的影響音效。當輸出信號超過(guò)閾值，增益衰減的速度用響應時(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(mén)限以下。釋放時(shí)間表示放大器將增益恢復到原始值的速度。放大器MAX9756的響應時(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出啟動(dòng)時(shí)間：



釋放時(shí)間是按照響應時(shí)間的比例計算的，并且通過(guò)施加在DR引腳的電壓變化調整。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(zhù)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，由電容設置響應時(shí)間�？刂齐妷涸谥付〞r(shí)間內和增益衰減(dB)成比例。


圖2. 施加一個(gè)短暫的大信號可以觀(guān)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，響應和釋放時(shí)間可以通過(guò)外部元器件調整。

響應和釋放時(shí)間的長(cháng)短要符合聲源的特點(diǎn)和音效要求。較短的時(shí)間常數可以使自動(dòng)電平控制快速地對信號幅度變化做出反應，即使出現非常短的信號尖峰，也能夠提供有效防護。確保大幅度信號下不損害揚聲器，但是，當按照信號的動(dòng)態(tài)變化而快速調節增益時(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(lè )來(lái)說(shuō)，采用比較長(cháng)的時(shí)間常數可以避免噪聲，優(yōu)化音頻質(zhì)量。這種情況下，增益在信號強度快速變化的時(shí)候保持相對固定，只對長(cháng)時(shí)間的高強度信號進(jìn)行增益調整，給放大器足夠的響應時(shí)間。揚聲器保護仍然有效，因為自動(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(guò)監測增益衰減控制電壓和信號波形(圖3)，可以觀(guān)察到較長(cháng)和較短響應、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(mǎn)音量的音頻信號。在總體信號強度相對恒定的波形中，較短的響應和釋放時(shí)間會(huì )導致頻繁的增益調整。而較長(cháng)的響應和釋放時(shí)間則維持平滑的增益響應，避免放大器響應過(guò)快，從而在基本保留動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)維持整個(gè)信號的幅度。


圖3. 短的響應和釋放時(shí)間(a) 引起增益調整頻繁變化，可能降低音響效果。長(cháng)的響應和釋放時(shí)間(b) 產(chǎn)生平滑的增益響應。

自動(dòng)電平控制(ALC)的閾值

筆記本電腦內的揚聲器放大器一般工作在5V電源下。采用8Ω揚聲器，在橋接負載(BTL)配置下，理論上可提供的最大連續功率是：



基于5V工作電壓，輸入幅度高于最大POUT的對應數值時(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^(guò)下列等式計算這個(gè)電阻值(這里以1.4W閾值為例)：



通過(guò)調整RPREF值改變門(mén)限，如果音響系統受揚聲器功率容量的限制，可以設置閾值，使其遠遠低于放大器的最大輸出功率，確保不超出揚聲器的功率容量。如果揚聲器可以承受放大器的滿(mǎn)輸出功率，則設置閾值剛好低于限幅電平，優(yōu)化音質(zhì)并避免揚聲器受到長(cháng)期的強變化信號的損害。削波不僅聽(tīng)起來(lái)音響效果差，甚至可以對揚聲器造成永久性損壞。 揚聲器的機械元件很難恢復削波信號的陡峭沿，時(shí)間久了還會(huì )導致失效。

圖4是設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的正弦波。輸出波形在響應時(shí)間內被明顯削波，但是當增益衰減完成后，即可避免削波現象。


圖4. 從小信號到大信號的躍變過(guò)程中，輸出波形最初發(fā)生削波失真，但當增益衰減后，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揚聲器、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(zhù)輸入信號增大時(shí)對輸出沒(méi)有任何影響，從而得到一個(gè)沒(méi)有活力的、單調的音頻效果。如果不要求嚴格控制輸出波形，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(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運算放大器和電阻(R2)，可以降低ALC的壓縮比。

運算放大器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：



到達閾值之前，引腳PREF的等效阻抗是R1和R2的并聯(lián)，因為這兩個(gè)電阻同時(shí)都被連接到地。因此，在此配置中設置這兩個(gè)并聯(lián)電阻就可以設置自動(dòng)電平控制ALC閾值。等式右邊是先前提到的RPREF計算公式，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R2遠大于R1時(shí)，自動(dòng)電平控制ALC有一個(gè)和MAX9756標準硬限幅配置類(lèi)似的高壓縮比。當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R2是R1的2.5倍。圖6給出了MAX9756標準限幅配置和R2/R1 = 2.5時(shí)的電壓增益效果。


圖6. 與MAX9756標準限幅配置相比，配合外部電路后能夠得到平緩的增益調節。

自動(dòng)電平控制(ALC)對性能的改善

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信號出現較強聲音時(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)，強輸入信號造成輸出嚴重削波；(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(hù)可以調高音量改善對話(huà)效果，并且不用擔心出現其它強音信號，音質(zhì)也會(huì )因為避免了削波而得到改善。此外，自動(dòng)電平控制(ALC)延長(cháng)了揚聲器的壽命(減少削波)，并且幫助保護低功率揚聲器。最大音量設置比不帶ALC的同等系統提高了6dB。

自動(dòng)電平控制(ALC)也可以通過(guò)數字方式實(shí)現，或由現有的DSP硬件實(shí)現；可以采用復雜、完善的處理過(guò)程，比如多頻帶壓縮，進(jìn)一步提高音質(zhì)，增強揚聲器保護。但這種方案使數字域的ALC成為一個(gè)龐大的DSP系統，要求更多的計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集成在揚聲器放大器是一個(gè)很好的折衷。
 
 
 
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