當(dāng)前筆記本電腦和便攜式DVD音頻的一個(gè)問題是可用揚(yáng)聲器的動(dòng)態(tài)范圍有限。由于尺寸限制，揚(yáng)聲器通常很小，因此在有限的頻率范圍內(nèi)只能產(chǎn)生適度的聲壓。本應(yīng)用筆記解釋了自動(dòng)電平控制（ALC）如何幫助消除小揚(yáng)聲器帶來的音頻問題。

介紹

對(duì)于操作系統(tǒng)警報(bào)或類似的音頻源，典型的動(dòng)態(tài)范圍受到足夠的限制，因此用戶可以調(diào)高音量，而不必?fù)?dān)心動(dòng)態(tài)峰值會(huì)導(dǎo)致失真。然而，筆記本電腦揚(yáng)聲器有限的動(dòng)態(tài)范圍給具有相對(duì)較寬動(dòng)態(tài)范圍的DVD音軌帶來了相當(dāng)明顯的問題。對(duì)話和聲音效果之間的音量差異可能很大，迫使用戶增加音量以聽到對(duì)話并降低音量以防止在嘈雜的場(chǎng)景中出現(xiàn)削波。

如果不調(diào)整音量，用戶必須妥協(xié)。您要么選擇對(duì)于動(dòng)態(tài)峰值來說太高的設(shè)置并忍受失真，要么選擇一個(gè)太低的設(shè)置來理解對(duì)話框。對(duì)于帶有小揚(yáng)聲器的筆記本電腦，這種音頻問題會(huì)使計(jì)算機(jī)在觀看DVD時(shí)幾乎無用。

自動(dòng)液位控制理論

具有自動(dòng)電平控制 （ALC） 功能的放大器可以幫助消除小揚(yáng)聲器帶來的音頻音量問題。放大器不能在不增加電源電壓的情況下增加其最大輸出電壓，也不能增加小型揚(yáng)聲器的功率處理能力。但是，放大器可以在播放音頻時(shí)對(duì)RMS輸出電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化。如果音頻波形中的峰值（高于預(yù)定義閾值）降低到與音頻信號(hào)的其余部分更匹配的水平，則可以在不削波峰值的情況下增加整體信號(hào)音量。這種技術(shù)被稱為壓縮或限制，具體取決于壓縮比，在整個(gè)音頻行業(yè)中普遍采用。

對(duì)于高于壓縮閾值的信號(hào)，小壓縮比（例如 2：1）可將輸入端的 4dB 增加減少到輸出端的 2dB 增加。較大的壓縮比（20：1或更大）稱為限制，因?yàn)橐坏┻_(dá)到閾值，無論輸入端是否增加，輸出波形都會(huì)保持相同的幅度。壓縮通常在錄制和混合階段應(yīng)用，但也可以在稍后的音頻流中應(yīng)用。

在MAX9756等放大器中實(shí)現(xiàn)時(shí)，ALC的作用基本上類似于限幅器。它檢測(cè)高于設(shè)定閾值的輸出信號(hào)，并降低增益以保持輸出低于該閾值。MAX9756高于門限的增益響應(yīng)幾乎平坦，表示壓縮比幾乎無限大（圖1）。

圖1.對(duì)于低音量，放大器作為普通線性放大器工作。對(duì)于高于閾值的電平，它會(huì)降低增益以防止輸出超過閾值。它將增益降低限制在6dB最大值，之后輸出電壓增加到閾值以上。

自動(dòng)電平控制定時(shí)

限幅器對(duì)信號(hào)幅度變化的反應(yīng)速度會(huì)極大地影響聲音。當(dāng)輸出信號(hào)超過其閾值時(shí)，放大器會(huì)以攻擊時(shí)間指定的速率降低增益。然后將增益保持在降低的水平，直到信號(hào)幅度減小。釋放時(shí)間指定放大器增加增益，最終達(dá)到其原始值的速率。對(duì)于像MAX9756這樣的放大器，起音時(shí)間由連接CT引腳接地的電容值決定。以下公式從該電容值得出攻擊時(shí)間：

釋放時(shí)間計(jì)算為與攻擊時(shí)間的比率，并通過改變施加到DR引腳的電壓來調(diào)整。可以通過應(yīng)用 V 選擇三種比率之一DD， V偏見，或接地到DR引腳。MAX9756為所有釋放時(shí)間值增加了50ms的固定保持時(shí)間。在保持期間不進(jìn)行增益調(diào)整。

圖2顯示了在其他小幅度信號(hào)期間發(fā)生的大信號(hào)脈沖的影響。隨著增益的斜坡下降，輸出波形中大脈沖的幅度明顯減小。增益降低控制電壓是CT處電容器兩端的電壓，用于設(shè)置攻擊時(shí)間。該電壓與給定時(shí)間的增益降低（以dB為單位）成正比。

圖2.ALC的完整周期可以通過施加一個(gè)簡(jiǎn)短的大信號(hào)來查看。MAX9756放大器的保持時(shí)間設(shè)置為50ms，攻擊和釋放時(shí)間可通過外部元件調(diào)節(jié)。

攻擊的長(zhǎng)度和釋放時(shí)間應(yīng)與源材料和所需的效果相對(duì)應(yīng)。例如，短時(shí)間常數(shù)使ALC快速跟隨不斷變化的信號(hào)電平，從而防止信號(hào)電平的最短尖峰。此操作可確保大信號(hào)不會(huì)損壞揚(yáng)聲器，但它也可以允許聽到“抽吸”和“呼吸”等可聽見的音損，因?yàn)樵鲆鏁?huì)快速調(diào)整以跟隨信號(hào)動(dòng)態(tài)。

對(duì)于信號(hào)電平不斷變化的電影音軌，較長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)可防止音損并最大限度地提高音質(zhì)。在這種情況下，增益在信號(hào)電平快速變化期間保持相對(duì)固定，并且僅在長(zhǎng)期變化使放大器有足夠的時(shí)間做出反應(yīng)時(shí)才進(jìn)行調(diào)整。揚(yáng)聲器保護(hù)保持不變，因?yàn)?ALC 仍然減少了大部分可能造成損壞的信號(hào)。

通過監(jiān)測(cè)增益降低控制電壓和信號(hào)波形，可以觀察長(zhǎng)短攻擊和釋放時(shí)間的影響（圖 3）。為了產(chǎn)生具有代表性的波形，輸入信號(hào)是全音量音頻信號(hào)。較短的起音和釋放時(shí)間會(huì)導(dǎo)致在總體上具有相對(duì)恒定的信號(hào)強(qiáng)度的通道期間頻繁調(diào)整增益。較長(zhǎng)的攻擊和釋放時(shí)間可保持平滑的增益響應(yīng)，防止放大器反應(yīng)過度;因此，保持了整體信號(hào)電平，并保留了更多的信號(hào)動(dòng)態(tài)。

圖3.短起音和釋放時(shí)間 （a） 會(huì)導(dǎo)致頻繁的增益變化，從而降低聲音。更長(zhǎng)的起音和釋放時(shí)間（b）產(chǎn)生更平滑的增益響應(yīng)。

ALC 閾值

筆記本電腦中的揚(yáng)聲器放大器通常采用5V電源供電。當(dāng)8Ω揚(yáng)聲器在橋接負(fù)載（BTL）配置中驅(qū)動(dòng)時(shí)，理論上最大可用連續(xù)功率為：

由于采用5V電源，任何向負(fù)載提供更多功率的嘗試都會(huì)產(chǎn)生削波波形。MAX9756等放大器可通過選擇將PREF引腳接地的電阻來調(diào)節(jié)增益降低門限。（MAX9756向電阻注入12μA恒定電流。您可以通過以下方式計(jì)算此電阻的值（在本例中為 1.4W 閾值）：

您可以通過調(diào)整 R 的值將閾值更改為任何所需的級(jí)別預(yù)選.在某些情況下，音響系統(tǒng)受到揚(yáng)聲器功率處理能力的限制。在這些情況下，您可以將閾值設(shè)置為遠(yuǎn)低于放大器的最大輸出功率，從而確保不超過功率處理能力。如果揚(yáng)聲器可以處理放大器的全部輸出功率，則將閾值設(shè)置為略低于削波電平可最大限度地提高音質(zhì)并保護(hù)揚(yáng)聲器免受長(zhǎng)期損壞。削波波形不僅聽起來不好，而且最終會(huì)對(duì)揚(yáng)聲器造成永久性損壞。削波波形的鋒利邊緣很難被揚(yáng)聲器的機(jī)械元件再現(xiàn)，并且隨著時(shí)間的推移可能會(huì)導(dǎo)致故障。

圖4顯示了將閾值設(shè)置為略低于放大器最大功率輸出的效果。輸入信號(hào)是正弦脈沖群，在高電平和低電平之間交替。輸出波形在攻擊期間明顯被削波，但一旦增益降低完成，削波就會(huì)停止。

圖4.在從小信號(hào)到大信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中，輸出波形最初是削波的。隨著增益降低的逐漸增加，輸出波形返回到所需的未削波狀態(tài)。

降低壓縮比

MAX9756提供的限幅功能可用于保護(hù)揚(yáng)聲器和防止削波，但在ALC生效時(shí)，它完全消除了動(dòng)態(tài)變化。無限壓縮比意味著輸入信號(hào)強(qiáng)度的增加對(duì)輸出沒有影響，從而產(chǎn)生毫無生氣和單調(diào)的音頻聲音。如果不需要嚴(yán)格控制輸出波形，較低的壓縮比有助于防止削波，同時(shí)保持一些動(dòng)態(tài)內(nèi)容。較低的壓縮比會(huì)降低音頻信號(hào)動(dòng)態(tài)，而不是完全消除它們。MAX9756的壓縮比可以通過增加外部電路來降低，如圖5所示。

圖5.增加一個(gè)運(yùn)算放大器（如MAX4400）和一個(gè)電阻R。2，MAX9756的外部電路降低了ALC壓縮比。

MAX4400運(yùn)算放大器緩沖MAX9756 CT輸出，從而確保增加的電路不會(huì)影響CT電壓，從而不影響釋放時(shí)間。MAX4400具有1000GΩ的典型輸入阻抗，可消除可能使電容過早放電的漏電流。運(yùn)算放大器輸出通過R饋入PREF2.因此，R 的并聯(lián)組合1和 R2確定新的 ALC 閾值。以下公式確定此配置中的閾值：

在達(dá)到閾值之前，PREF引腳看到的阻抗是R的并聯(lián)組合1和 R2，因?yàn)楫?dāng)時(shí)兩者都連接到 GND。因此，設(shè)置此并行組合將設(shè)置此配置中 ALC 的閾值。右側(cè)是用于計(jì)算R的上一個(gè)公式（公式3）預(yù)選，左邊是R并聯(lián)組合的電阻方程1和 R2（等式4）。

R的比率2到 R1有助于新的壓縮比。當(dāng) R2比 R 大得多1，ALC具有高壓縮比，類似于MAX9756的標(biāo)準(zhǔn)硬限幅配置。當(dāng) R2小于 R1，ALC 具有低壓縮比，并保持音頻信號(hào)中的大部分原始動(dòng)態(tài)范圍。因此，要實(shí)現(xiàn) 3：1 的有用壓縮比，請(qǐng)?jiān)O(shè)置 R2到 R 值的 2.5 倍1.圖6所示為MAX9756在標(biāo)準(zhǔn)限值下對(duì)電壓增益的影響，以及R的壓縮比2/R1= 2.5。

圖6.將MAX9756標(biāo)準(zhǔn)限值與外部電路實(shí)現(xiàn)的壓縮進(jìn)行比較，可以更漸進(jìn)地調(diào)整增益，并消除水平部分。

ALC 提供的改進(jìn)

ALC帶來的改進(jìn)意義重大（圖7）。圖（a）顯示了在沒有ALC的情況下DVD電影中特別響亮的段落期間的輸出波形，圖（b）顯示了啟用ALC的情況下相同輸入和相同音量設(shè)置的輸出波形。

圖7.如果沒有ALC （a），輸出由于強(qiáng)輸入信號(hào)而嚴(yán)重削波。對(duì)于啟用ALC的相同輸入波形（b），消除了輸出波形的削波。

用戶可以將音量調(diào)到可接受的對(duì)話水平，而不必?fù)?dān)心其他段落太大聲。此外，音質(zhì)更好，因?yàn)橄鞑ǖ目赡苄暂^小。此外，ALC延長(zhǎng)了揚(yáng)聲器的使用壽命（減少削波），并有助于保護(hù)低功率揚(yáng)聲器。最大音量設(shè)置比沒有ALC的相同系統(tǒng)高6dB。

ALC也可以數(shù)字化實(shí)施。ALC可以通過現(xiàn)有的DSP硬件來實(shí)現(xiàn)，這可以通過執(zhí)行復(fù)雜的處理（如多頻段壓縮）來進(jìn)一步改善音質(zhì)和揚(yáng)聲器保護(hù)。數(shù)字領(lǐng)域的ALC雖然方便，但需要更長(zhǎng)的周期和潛在的更多功率，從而給DSP系統(tǒng)帶來負(fù)擔(dān)。如上所述，將模擬ALC集成到揚(yáng)聲器放大器中是筆記本電腦和便攜式DVD播放器的絕佳折衷方案，因?yàn)殡姵貕勖浅氋F，音質(zhì)傳統(tǒng)上受到影響。

審核編輯：郭婷