ALC在保护扬声器的同时改善音质

当前笔记本电脑和便携式DVD音频的一个问题是可用扬声器的动态范围有限。由于尺寸限制，扬声器通常很小，因此在有限的频率范围内只能产生适度的声压。本应用笔记解释了自动电平控制（ALC）如何帮助消除小扬声器带来的音频问题。

介绍

对于操作系统警报或类似的音频源，典型的动态范围受到足够的限制，因此用户可以调高音量，而不必担心动态峰值会导致失真。然而，笔记本电脑扬声器有限的动态范围给具有相对较宽动态范围的DVD音轨带来了相当明显的问题。对话和声音效果之间的音量差异可能很大，迫使用户增加音量以听到对话并降低音量以防止在嘈杂的场景中出现削波。

如果不调整音量，用户必须妥协。您要么选择对于动态峰值来说太高的设置并忍受失真，要么选择一个太低的设置来理解对话框。对于带有小扬声器的笔记本电脑，这种音频问题会使计算机在观看DVD时几乎无用。

自动液位控制理论

具有自动电平控制 （ALC） 功能的放大器可以帮助消除小扬声器带来的音频音量问题。放大器不能在不增加电源电压的情况下增加其最大输出电压，也不能增加小型扬声器的功率处理能力。但是，放大器可以在播放音频时对RMS输出电压进行动态变化。如果音频波形中的峰值（高于预定义阈值）降低到与音频信号的其余部分更匹配的水平，则可以在不削波峰值的情况下增加整体信号音量。这种技术被称为压缩或限制，具体取决于压缩比，在整个音频行业中普遍采用。

对于高于压缩阈值的信号，小压缩比（例如 2：1）可将输入端的 4dB 增加减少到输出端的 2dB 增加。较大的压缩比（20：1或更大）称为限制，因为一旦达到阈值，无论输入端是否增加，输出波形都会保持相同的幅度。压缩通常在录制和混合阶段应用，但也可以在稍后的音频流中应用。

在MAX9756等放大器中实现时，ALC的作用基本上类似于限幅器。它检测高于设定阈值的输出信号，并降低增益以保持输出低于该阈值。MAX9756高于门限的增益响应几乎平坦，表示压缩比几乎无限大（图1）。

图1.对于低音量，放大器作为普通线性放大器工作。对于高于阈值的电平，它会降低增益以防止输出超过阈值。它将增益降低限制在6dB最大值，之后输出电压增加到阈值以上。

自动电平控制定时

限幅器对信号幅度变化的反应速度会极大地影响声音。当输出信号超过其阈值时，放大器会以攻击时间指定的速率降低增益。然后将增益保持在降低的水平，直到信号幅度减小。释放时间指定放大器增加增益，最终达到其原始值的速率。对于像MAX9756这样的放大器，起音时间由连接CT引脚接地的电容值决定。以下公式从该电容值得出攻击时间：

释放时间计算为与攻击时间的比率，并通过改变施加到DR引脚的电压来调整。可以通过应用 V 选择三种比率之一DD， V偏见，或接地到DR引脚。MAX9756为所有释放时间值增加了50ms的固定保持时间。在保持期间不进行增益调整。

图2显示了在其他小幅度信号期间发生的大信号脉冲的影响。随着增益的斜坡下降，输出波形中大脉冲的幅度明显减小。增益降低控制电压是CT处电容器两端的电压，用于设置攻击时间。该电压与给定时间的增益降低（以dB为单位）成正比。

图2.ALC的完整周期可以通过施加一个简短的大信号来查看。MAX9756放大器的保持时间设置为50ms，攻击和释放时间可通过外部元件调节。

攻击的长度和释放时间应与源材料和所需的效果相对应。例如，短时间常数使ALC快速跟随不断变化的信号电平，从而防止信号电平的最短尖峰。此操作可确保大信号不会损坏扬声器，但它也可以允许听到“抽吸”和“呼吸”等可听见的音损，因为增益会快速调整以跟随信号动态。

对于信号电平不断变化的电影音轨，较长的时间常数可防止音损并最大限度地提高音质。在这种情况下，增益在信号电平快速变化期间保持相对固定，并且仅在长期变化使放大器有足够的时间做出反应时才进行调整。扬声器保护保持不变，因为 ALC 仍然减少了大部分可能造成损坏的信号。

通过监测增益降低控制电压和信号波形，可以观察长短攻击和释放时间的影响（图 3）。为了产生具有代表性的波形，输入信号是全音量音频信号。较短的起音和释放时间会导致在总体上具有相对恒定的信号强度的通道期间频繁调整增益。较长的攻击和释放时间可保持平滑的增益响应，防止放大器反应过度;因此，保持了整体信号电平，并保留了更多的信号动态。

图3.短起音和释放时间 （a） 会导致频繁的增益变化，从而降低声音。更长的起音和释放时间（b）产生更平滑的增益响应。

ALC 阈值

笔记本电脑中的扬声器放大器通常采用5V电源供电。当8Ω扬声器在桥接负载（BTL）配置中驱动时，理论上最大可用连续功率为：

由于采用5V电源，任何向负载提供更多功率的尝试都会产生削波波形。MAX9756等放大器可通过选择将PREF引脚接地的电阻来调节增益降低门限。（MAX9756向电阻注入12μA恒定电流。您可以通过以下方式计算此电阻的值（在本例中为 1.4W 阈值）：

您可以通过调整 R 的值将阈值更改为任何所需的级别预选.在某些情况下，音响系统受到扬声器功率处理能力的限制。在这些情况下，您可以将阈值设置为远低于放大器的最大输出功率，从而确保不超过功率处理能力。如果扬声器可以处理放大器的全部输出功率，则将阈值设置为略低于削波电平可最大限度地提高音质并保护扬声器免受长期损坏。削波波形不仅听起来不好，而且最终会对扬声器造成永久性损坏。削波波形的锋利边缘很难被扬声器的机械元件再现，并且随着时间的推移可能会导致故障。

图4显示了将阈值设置为略低于放大器最大功率输出的效果。输入信号是正弦脉冲群，在高电平和低电平之间交替。输出波形在攻击期间明显被削波，但一旦增益降低完成，削波就会停止。

图4.在从小信号到大信号的转换过程中，输出波形最初是削波的。随着增益降低的逐渐增加，输出波形返回到所需的未削波状态。

降低压缩比

MAX9756提供的限幅功能可用于保护扬声器和防止削波，但在ALC生效时，它完全消除了动态变化。无限压缩比意味着输入信号强度的增加对输出没有影响，从而产生毫无生气和单调的音频声音。如果不需要严格控制输出波形，较低的压缩比有助于防止削波，同时保持一些动态内容。较低的压缩比会降低音频信号动态，而不是完全消除它们。MAX9756的压缩比可以通过增加外部电路来降低，如图5所示。

图5.增加一个运算放大器（如MAX4400）和一个电阻R。2，MAX9756的外部电路降低了ALC压缩比。

MAX4400运算放大器缓冲MAX9756 CT输出，从而确保增加的电路不会影响CT电压，从而不影响释放时间。MAX4400具有1000GΩ的典型输入阻抗，可消除可能使电容过早放电的漏电流。运算放大器输出通过R馈入PREF2.因此，R 的并联组合1和 R2确定新的 ALC 阈值。以下公式确定此配置中的阈值：

在达到阈值之前，PREF引脚看到的阻抗是R的并联组合1和 R2，因为当时两者都连接到 GND。因此，设置此并行组合将设置此配置中 ALC 的阈值。右侧是用于计算R的上一个公式（公式3）预选，左边是R并联组合的电阻方程1和 R2（等式4）。

R的比率2到 R1有助于新的压缩比。当 R2比 R 大得多1，ALC具有高压缩比，类似于MAX9756的标准硬限幅配置。当 R2小于 R1，ALC 具有低压缩比，并保持音频信号中的大部分原始动态范围。因此，要实现 3：1 的有用压缩比，请设置 R2到 R 值的 2.5 倍1.图6所示为MAX9756在标准限值下对电压增益的影响，以及R的压缩比2/R1= 2.5。

图6.将MAX9756标准限值与外部电路实现的压缩进行比较，可以更渐进地调整增益，并消除水平部分。

ALC 提供的改进

ALC带来的改进意义重大（图7）。图（a）显示了在没有ALC的情况下DVD电影中特别响亮的段落期间的输出波形，图（b）显示了启用ALC的情况下相同输入和相同音量设置的输出波形。

图7.如果没有ALC （a），输出由于强输入信号而严重削波。对于启用ALC的相同输入波形（b），消除了输出波形的削波。

用户可以将音量调到可接受的对话水平，而不必担心其他段落太大声。此外，音质更好，因为削波的可能性较小。此外，ALC延长了扬声器的使用寿命（减少削波），并有助于保护低功率扬声器。最大音量设置比没有ALC的相同系统高6dB。

ALC也可以数字化实施。ALC可以通过现有的DSP硬件来实现，这可以通过执行复杂的处理（如多频段压缩）来进一步改善音质和扬声器保护。数字领域的ALC虽然方便，但需要更长的周期和潜在的更多功率，从而给DSP系统带来负担。如上所述，将模拟ALC集成到扬声器放大器中是笔记本电脑和便携式DVD播放器的绝佳折衷方案，因为电池寿命非常宝贵，音质传统上受到影响。

审核编辑：郭婷