防破音D類音頻功放的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

杜 虹，阮 頤，劉燕濤

（上海貝嶺股份有限公司，上海 200233）

1 引言

隨著多媒體便攜設(shè)備的普及，音頻功放已經(jīng)成為音頻部分的標(biāo)準(zhǔn)配置，用戶不再滿足于響亮地播放個(gè)性化的音樂，繼而對(duì)音頻功放提出了更高的要求：消耗更少的電流以延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，在整個(gè)音頻范圍內(nèi)提供完美音質(zhì)，良好的射頻抑制能力減小電流聲，穩(wěn)定的輸出功率以確保揚(yáng)聲器不受損壞。D類功放以其高品質(zhì)高效的特點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

隨著D類功放的普及，又出現(xiàn)了新的問題。在用便攜式設(shè)備播放樂曲時(shí)，不同的音樂文件音量大小都存在差異，在連續(xù)播放時(shí)經(jīng)常需要進(jìn)行音量調(diào)節(jié)。即使對(duì)于同一首歌曲，波形幅度的動(dòng)態(tài)范圍也會(huì)在40dB～60dB范圍內(nèi)變化。因此音量變化時(shí)需要頻繁地調(diào)整音量，否則不是聲音太小，淹沒在噪聲里，就是出現(xiàn)了削頂失真。手機(jī)用戶在通過揚(yáng)聲器播放音樂的時(shí)候，通常喜歡把音量調(diào)到最大來表現(xiàn)手機(jī)的震撼力。但是，音量的增加受到了電池電壓和揚(yáng)聲器、音腔的約束，都會(huì)有一個(gè)最大的不失真輸出幅度，超過了這個(gè)幅度就會(huì)產(chǎn)生削波失真。失真的信號(hào)一旦超出揚(yáng)聲器的額定功率，就會(huì)造成揚(yáng)聲器的損壞，增加手機(jī)的返修率。采用防破音的D類功放，可以通過自動(dòng)增益調(diào)節(jié)技術(shù)來提供一個(gè)完美的解決方案。

2 防破音D類音頻功放的設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵參數(shù)

防破音功能通常采用的是專業(yè)音響系統(tǒng)中的壓縮/限幅技術(shù)（Compression & Limiting），有門限閾值、啟動(dòng)時(shí)間和釋放時(shí)間等重要參數(shù)。

（1）門限閾值（Threshold Threshold）：?jiǎn)?dòng)防破音功能的閾值電壓大小，就是系統(tǒng)所允許的最大不失真輸出幅度。

（2）啟動(dòng)時(shí)間（Attack Time Time）：從檢測(cè)的信號(hào)超過閾值電壓后，到壓縮功能全部展開的時(shí)間。啟動(dòng)時(shí)間很大程度上取決于被處理聲音信號(hào)的種類和希望得到的特點(diǎn)：短的啟動(dòng)時(shí)間通常使聲音“圓潤(rùn)”，很快就可以使聲音進(jìn)入完全的壓縮狀態(tài)；長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間可以較好地反映悠長(zhǎng)、緩慢變化的信號(hào)。典型的啟動(dòng)時(shí)間范圍是1ms～100ms。

（3）釋放時(shí)間（Release Time Time）：與啟動(dòng)時(shí)間相反，釋放時(shí)間是檢測(cè)信號(hào)低于閾值電壓時(shí)，壓縮功能完全釋放的時(shí)間。與啟動(dòng)時(shí)間一樣，釋放時(shí)間的選擇也取決于被處理聲音信號(hào)的種類和希望得到的特點(diǎn)：短的釋放時(shí)間可以很好地響應(yīng)快速變化的聲音信號(hào)，比如急促的槍炮聲和尖銳短暫的報(bào)警聲；長(zhǎng)的釋放時(shí)間會(huì)使聲音平滑，柔和。典型的釋放時(shí)間范圍是20ms～5s。

圖1是不同參數(shù)設(shè)定情況下的時(shí)序特點(diǎn)。

圖1 防破音時(shí)序特點(diǎn)示意圖

2.2 常見的防破音技術(shù)

常見的防破音技術(shù)有AGC和ALC兩種電路，如ADI的SSM2317就采用了ALC技術(shù)。

ALC電路的原理框圖如圖2所示。

圖2 ALC防破音技術(shù)框圖

ALC技術(shù)通過檢測(cè)第一級(jí)預(yù)放大電路的輸出幅度來自動(dòng)調(diào)節(jié)其輸入阻抗。當(dāng)?shù)谝患?jí)輸出的幅度過大容易引起破音時(shí)，ALC電路給出控制信號(hào)，將輸入電阻降低一個(gè)臺(tái)階。ALC技術(shù)由于其非連續(xù)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益通常會(huì)帶來一些不太悅耳的聲音體驗(yàn)，如聲音突變，毛刺音等。

2.3 改進(jìn)型的AGC控制技術(shù)

本文設(shè)計(jì)了另外一種改進(jìn)型的AGC控制，通過對(duì)PWM輸出的采樣來判斷破音程度，依據(jù)破音程度用防破音電路調(diào)制產(chǎn)生的PWM波形來自動(dòng)調(diào)節(jié)第二級(jí)積分器的運(yùn)放增益。使得PWM比較器輸出的PWM控制波基本達(dá)到無失真。其框圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)型的AGC控制防破音技術(shù)框圖

圖3為本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)型AGC控制防破音電路的原理圖。傳統(tǒng)的D類功放一般由1、2、3、4組成。音頻信號(hào)經(jīng)過前置放大器1放大以后送入積分放大器2濾波放大，濾波放大后的音頻信號(hào)送入PWM調(diào)制模塊3產(chǎn)生包含音頻信息的PWM信號(hào)，PWM信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)與H-橋電路后向外部揚(yáng)聲器輸出脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)?，F(xiàn)有的防破音電路由加入的5、6、2組成。破音采樣電路5從PWM的輸出信號(hào)進(jìn)行破音采樣，當(dāng)PWM信號(hào)出現(xiàn)破音時(shí)，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的高電平或者低電平，此時(shí)破音采樣電路給破音采樣電容充電產(chǎn)生破音采樣電壓。防破音開關(guān)控制電路6根據(jù)破音采樣電壓輸出一定占空比的矩形波，最終控制破音開關(guān)7的開關(guān)。7打開時(shí)，D類放大器正常放大；7關(guān)閉時(shí)，放大器輸出為共模電平。從而降低PWM信號(hào)的占空比，消除破音。

在本文設(shè)計(jì)的電路中，門限閾值這一參數(shù)取決于破音采樣部分的采樣頻率，啟動(dòng)時(shí)間這一參數(shù)取決于電容的充電速度，釋放時(shí)間這一參數(shù)取決于電容的放電速度。改進(jìn)型的AGC控制防破音電路的最終效果如圖4所示，當(dāng)輸入信號(hào)的幅度增加時(shí)，其電路自動(dòng)平滑地減小系統(tǒng)的環(huán)路增益，確保在一個(gè)較大的動(dòng)態(tài)輸入范圍內(nèi)輸出無失真。

圖4 改進(jìn)型的AGC控制實(shí)測(cè)效果

3 應(yīng)用和實(shí)際測(cè)試結(jié)果

便攜設(shè)備對(duì)音頻功放的要求是體積小，外圍簡(jiǎn)單。如圖5所示，防破音的D類功放只需很少的外圍元件就可以正常工作。

防破音功能采用的是自動(dòng)增益調(diào)節(jié)/限幅技術(shù)，當(dāng)功放檢測(cè)到輸出信號(hào)超過閾值電壓后，此時(shí)功放輸出音頻信號(hào)處于削頂失真狀態(tài)，幅度檢測(cè)電路產(chǎn)生一個(gè)與失真度相關(guān)的信號(hào)（Vagc），自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路根據(jù)Vagc信號(hào)減小PWM調(diào)制器的輸入信號(hào)幅度，從而減小了功放的輸出幅度，降低系統(tǒng)增益，減小削頂失真，直到輸出音頻信號(hào)處于正常非失真狀態(tài)。同樣，當(dāng)輸入信號(hào)較小、功放輸出無削頂失真時(shí)，幅度檢測(cè)電路的輸出Vagc=0，自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路不對(duì)PWM調(diào)制器的輸入信號(hào)幅度衰減，系統(tǒng)增益即為固定的初始增益。圖6為防破音功放在便攜式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益調(diào)節(jié)的實(shí)測(cè)結(jié)果。

圖5 應(yīng)用原理圖

圖6 防破音功能的實(shí)測(cè)結(jié)果

在便攜式系統(tǒng)中，無論歌曲音量大小的差異還是電池電壓的波動(dòng)，都可以通過選用帶防破音功能的音頻功放，來實(shí)現(xiàn)最大不失真的功率輸出，得到響亮而完美的音質(zhì)。

4 結(jié)論

隨著全球范圍內(nèi)能源的日益緊張，電子系統(tǒng)對(duì)于能效方面的要求也逐步提高，尤其電池供電系統(tǒng)對(duì)功耗的要求更為苛刻。未來，市場(chǎng)對(duì)于高效率的D類功率放大器的需求會(huì)逐步增加。帶防破音功能的D類放大器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，給音樂愛好者帶來高品質(zhì)的體驗(yàn)，它在便攜設(shè)備中的應(yīng)用具有廣闊的前景。

[1] 王伯禹，等.如何為手機(jī)等便攜設(shè)備選擇合乎要求的音頻功放 [J].集成電路應(yīng)用，2010, 2.

[2] 上海貝嶺股份有限公司.音頻功放的關(guān)鍵指標(biāo)[J].END電子設(shè)計(jì)技術(shù)，2009, 12.