自动电平控制(ALC)为扬声器提供有效保护

摘要：在笔记本电脑和便携DVD应用中，音频系统存在一个问题，即扬声器的动态范围有限，无法满足实际应用的要求。由于受产品尺寸的制约，扬声器的尺寸非常小，只能在有限的频率范围内提供适当的声压。本应用笔记介绍了一种自动电平控制(ALC)技术，有助于解决使用小扬声器带来的音频问题。

概述

对于一个操作系统的告警音或类似的音频信号，典型的动态范围即非常有限，用户在调高音量的时候不会考虑动态峰值引起的失真。另一方面，对于动态范围比较宽的DVD音频信号，笔记本电脑扬声器的局限性更加明显。对话和音响效果的音量差异非常大，从而迫使用户提高对话情况下的音量，而在强背景音的情况下调低音量，以避免削波失真。

在不调整音量的情况下，用户要么将音量设置过高，使动态峰值失真；要么将音量设置过低，从而影响对话质量。对于采用小尺寸扬声器的笔记本电脑来说，这个问题可能造成用户几乎不能收看DVD。

自动电平控制理论

具有自动电平控制(ALC)的放大器可以帮助解决由于小扬声器引起的问题。虽然放大器本身在不增大工作电压的情况下无法提高其最大输出电压，并且也不能增大小扬声器的功率，但是，它可以在播放音频的时候动态调整输出电压的有效值。 如果音频波形的波峰(在预定义的阈值以上)被降低到与音频信号其余部分更加匹配的水平，那么就可以增加整个信号的音量而不会出现波峰的削波失真。这就是通常所说的基于压缩比的压缩或者限幅器，这些技术在整个音频工业已经非常成熟。

当信号高于压缩门限的时候，小的压缩比(例如2:1)将把输入端的4dB增量在输出端降低到2dB。较大的压缩比(20:1或更大)被归为限幅，因为一旦达到这一门限，无论输入信号如何增大，输出波形都将保持固定幅度。压缩一般作用在录音和混音级，但也可以作用在音频数据流。

例如，MAX9756放大器，其自动电平控制(ALC)基本上就像一个限幅器。当探测到输出信号超过了设定门限时，就会缩减增益，保持输出在门限以下。 MAX9756在门限以上的增益响应接近平坦，压缩比几乎是无穷大(图1)。


图1. 对于低电平音量，放大器如同一个普通的线性放大器；当音量超过阈值时，缩减增益以避免输出超出门限。当输出电压增大到门限以上时，最大增益衰减量限制在6dB。

自动电平控制(ALC)时序

限幅器对信号幅度变化的响应速度可以显著的影响音效。当输出信号超过阈值，增益衰减的速度用响应时间表示。随后，增益将保持在衰减后的水平，直到信号幅度降至门限以下。释放时间表示放大器将增益恢复到原始值的速度。放大器MAX9756的响应时间由连接在CT引脚和地之间的电容决定。下式可以由电容值导出启动时间：



释放时间是按照响应时间的比例计算的，并且通过施加在DR引脚的电压变化调整。通过将DR引脚连接到VDD、VBIAS或GND，可以选择三种比例之一。MAX9756为所有释放时间增加了50ms的固定保持时间，保持时间内增益不发生变化。

图2表示一个小幅度信号上突发一个大幅度脉冲的效果。随着增益陡降，大信号脉冲的幅度在输出波形上被明显衰减。图中控制增益降低的电压是CT引脚外接电容的电压，由电容设置响应时间。控制电压在指定时间内和增益衰减(dB)成比例。


图2. 施加一个短暂的大信号可以观察到自动电平控制ALC的完整过程，放大器MAX9756的保持时间为50ms，响应和释放时间可以通过外部元器件调整。

响应和释放时间的长短要符合声源的特点和音效要求。较短的时间常数可以使自动电平控制快速地对信号幅度变化做出反应，即使出现非常短的信号尖峰，也能够提供有效防护。确保大幅度信号下不损害扬声器，但是，当按照信号的动态变化而快速调节增益时，可能会产生“砰然”声或“喘息”声。

对于一个不断变换信号幅度的电影配乐来说，采用比较长的时间常数可以避免噪声，优化音频质量。这种情况下，增益在信号强度快速变化的时候保持相对固定，只对长时间的高强度信号进行增益调整，给放大器足够的响应时间。扬声器保护仍然有效，因为自动电平控制(ALC)降低了大部分可能造成损害的信号幅度。

通过监测增益衰减控制电压和信号波形(图3)，可以观察到较长和较短响应、释放时间的效果。为了产生有代表性的波形，输入信号采用的是满音量的音频信号。在总体信号强度相对恒定的波形中，较短的响应和释放时间会导致频繁的增益调整。而较长的响应和释放时间则维持平滑的增益响应，避免放大器响应过快，从而在基本保留动态范围的同时维持整个信号的幅度。


图3. 短的响应和释放时间(a) 引起增益调整频繁变化，可能降低音响效果。长的响应和释放时间(b) 产生平滑的增益响应。

自动电平控制(ALC)的阈值

笔记本电脑内的扬声器放大器一般工作在5V电源下。采用8Ω扬声器，在桥接负载(BTL)配置下，理论上可提供的最大连续功率是：



基于5V工作电压，输入幅度高于最大POUT的对应数值时，将会产生削波。MAX9756放大器能够通过选择PREF和地之间的电阻调整增益衰减的阈值(MAX9756给这个电阻注入12µA的恒定电流)。可以通过下列等式计算这个电阻值(这里以1.4W阈值为例)：



通过调整RPREF值改变门限，如果音响系统受扬声器功率容量的限制，可以设置阈值，使其远远低于放大器的最大输出功率，确保不超出扬声器的功率容量。如果扬声器可以承受放大器的满输出功率，则设置阈值刚好低于限幅电平，优化音质并避免扬声器受到长期的强变化信号的损害。削波不仅听起来音响效果差，甚至可以对扬声器造成永久性损坏。 扬声器的机械元件很难恢复削波信号的陡峭沿，时间久了还会导致失效。

图4是设置阈值刚好低于放大器最大输出功率时的效果。输入信号是高低幅度交错的正弦波。输出波形在响应时间内被明显削波，但是当增益衰减完成后，即可避免削波现象。


图4. 从小信号到大信号的跃变过程中，输出波形最初发生削波失真，但当增益衰减后，输出波形又回到了期望的正弦波状态。

降低压缩比

MAX9756所提供的限幅功能有助于保护扬声器、避免削波，但在自动电平控制(ALC)有效时，它将完全消除动态变化。无穷大的压缩比意味着输入信号增大时对输出没有任何影响，从而得到一个没有活力的、单调的音频效果。如果不要求严格控制输出波形，较低的压缩比即可在避免削波的同时维持一定的动态变化。较低的压缩比会减小音频信号的动态范围，但不是完全消除。通过图5外围电路，MAX9756可以得到更低的压缩比。


图5. MAX9756外加一个MAX4400运算放大器和电阻(R2)，可以降低ALC的压缩比。

运算放大器MAX4400缓冲MAX9756的CT输出，以确保外部电路不影响CT电压，从而不影响释放时间。MAX4400的典型输入阻抗是1000GΩ，消除了可能会提前给电容放电的漏电流。 运算放大器的输出通过R2反馈到PREF。R1和R2分压器决定新的自动电平控制ALC阈值。具体阈值由下式决定：



到达阈值之前，引脚PREF的等效阻抗是R1和R2的并联，因为这两个电阻同时都被连接到地。因此，在此配置中设置这两个并联电阻就可以设置自动电平控制ALC阈值。等式右边是先前提到的RPREF计算公式，等式左边是R1和R2的并联阻值。

R2与R1的比决定压缩比。当R2远大于R1时，自动电平控制ALC有一个和MAX9756标准硬限幅配置类似的高压缩比。当R2小于R1 时，ALC具有低压缩比，并且在音频信号中保持大部分原有的动态变化范围。为了得到3:1的压缩比，设R2是R1的2.5倍。图6给出了MAX9756标准限幅配置和R2/R1 = 2.5时的电压增益效果。


图6. 与MAX9756标准限幅配置相比，配合外部电路后能够得到平缓的增益调节。

自动电平控制(ALC)对性能的改善

自动电平控制(ALC)带来的性能提高非常明显(图7)。图(a)表示没有自动电平控制(ALC)情况下，DVD信号出现较强声音时的输出波形；图(b)表示在相同的输入和相同的音量设置下，自动电平控制(ALC)的工作效果。


图7. (a) 没有ALC时，强输入信号造成输出严重削波；(b) 同样输入波形下，ALC工作时，输出波形没有削波失真。

用户可以调高音量改善对话效果，并且不用担心出现其它强音信号，音质也会因为避免了削波而得到改善。此外，自动电平控制(ALC)延长了扬声器的寿命(减少削波)，并且帮助保护低功率扬声器。最大音量设置比不带ALC的同等系统提高了6dB。

自动电平控制(ALC)也可以通过数字方式实现，或由现有的DSP硬件实现；可以采用复杂、完善的处理过程，比如多频带压缩，进一步提高音质，增强扬声器保护。但这种方案使数字域的ALC成为一个庞大的DSP系统，要求更多的计算周期和更大的功耗。另一方面，对于电池寿命要求苛刻的笔记本电脑和手持DVD播放器，将模拟ALC集成在扬声器放大器是一个很好的折衷。