當(dāng)前筆記本電腦和便攜式DVD音頻的一個問題是可用揚(yáng)聲器的動態(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

對于操作系統(tǒng)警報或類似的音頻源，典型的動態(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)心動態(tài)峰值會導(dǎo)致失真。然而，筆記本電腦揚(yáng)聲器有限的動態(tài)范圍給具有相對較寬動態(tài)范圍的DVD音軌帶來了相當(dāng)明顯的問題。對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話并降低音量以防止在嘈雜的場景中出現(xiàn)削波。

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

自動液位控制理論

具有自動電平控制 （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對RMS輸出電壓進(jìn)行動態(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，在整個音頻行業(yè)中普遍采用。

對于高于壓縮閾值的信號，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，ALC的作用基本上類似于限幅器。它檢測高于設(shè)定閾值的輸出信號，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.對于低音量，放大器作為普通線性放大器工作。對于高于閾值的電平，它會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。

自動電平控制定時

限幅器對信號幅度變化的反應(yīng)速度會極大地影響聲音。當(dāng)輸出信號超過其閾值時，放大器會以攻擊時間指定的速率降低增益。然后將增益保持在降低的水平，直到信號幅度減小。釋放時間指定放大器增加增益，最終達(dá)到其原始值的速率。對于像MAX9756這樣的放大器，起音時間由連接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間：

釋放時間計算為與攻擊時間的比率，并通過改變施加到DR引腳的電壓來調(diào)整?？梢酝ㄟ^應(yīng)用 V 選擇三種比率之一DD， V偏見，或接地到DR引腳。MAX9756為所有釋放時間值增加了50ms的固定保持時間。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期間發(fā)生的大信號脈沖的影響。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)置攻擊時間。該電壓與給定時間的增益降低（以dB為單位）成正比。

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

攻擊的長度和釋放時間應(yīng)與源材料和所需的效果相對應(yīng)。例如，短時間常數(shù)使ALC快速跟隨不斷變化的信號電平，從而防止信號電平的最短尖峰。此操作可確保大信號不會損壞揚(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焖僬{(diào)整以跟隨信號動態(tài)。

對于信號電平不斷變化的電影音軌，較長的時間常數(shù)可防止音損并最大限度地提高音質(zhì)。在這種情況下，增益在信號電平快速變化期間保持相對固定，并且僅在長期變化使放大器有足夠的時間做出反應(yīng)時才進(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。

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

圖3.短起音和釋放時間 （a） 會導(dǎo)致頻繁的增益變化，從而降低聲音。更長的起音和釋放時間（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)動時，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)聲器免受長期損壞。削波波形不僅聽起來不好，而且最終會對揚(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)，并且隨著時間的推移可能會導(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，削波就會停止。

圖4.在從小信號到大信號的轉(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，它完全消除了動態(tài)變化。無限壓縮比意味著輸入信號強(qiáng)度的增加對輸出沒有影響，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，同時保持一些動態(tài)內(nèi)容。較低的壓縮比會降低音頻信號動態(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.增加一個運(yùn)算放大器（如MAX4400）和一個電阻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影響CT電壓，從而不影響釋放時間。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)是用于計算R的上一個公式（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，并保持音頻信號中的大部分原始動態(tài)范圍。因此，要實(shí)現(xiàn) 3：1 的有用壓縮比，請設(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)輸入信號而嚴(yán)重削波。對于啟用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