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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。由于受产品尺寸的限制，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。操作系统的告警音或类似的音频信号的典型动态范围都非常有限，用户在调高音量时并不会考虑动态峰值引起的失真。对动态范围比较宽的DVD音频信号来说，笔记本电脑扬声器的局限性更加明显。对话和音响的音量差异非常大，这迫使用户提高对话时的音量，在强背景音的情况下调低音量，以避免削波失真。
在不调节音量的情况下，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，这个问题可能导致用户几乎不能收看DVD。具有自动电平控制(ALC)的放大器可以帮助解决由于扬声器小而引起的问题。虽然放大器本身在不增大工作电压的情况下无法提高最大输出电压，也不能增大扬声器的功率，但它可以在播放音频的时候动态调节输出电压的有效值。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。 当信号高于压缩阈值的时候，小的压缩比(例如2:1)将把输入端的4dB增量降低到输出端的2dB。较大的压缩比(20:1或更大)被归为限幅，因为一旦达到这个阈值，无论输入信号如何增大，输出波形都将保持固定幅值。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放大器的自动电平控制基本上就像一个限幅器，当探测到输出信号超过设定阈值时，就会减小增益，以保持输出在阈值以下。MAX9756在阈值以上的增益响应接近平坦，压缩比几乎为无穷大(图1)。
自动电平控制的时序和阈值 限幅器对信号幅值变化的响应速度可以显著地影响音效。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，直到信号幅值降至阈值以下。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。由τ=1500×C(s)可以导出响应时间。 释放时间是按照响应时间的比例来计算的，并且通过施加在DR引脚上的电压变化进行调节。通过将DR引脚连接到VDD、VBIAS或GND，可以选择三种比例中的一种。MAX9756为所有释放时间增加了50ms的固定保持时间，以使保持时间内的增益不发生变化。图2表示在小幅值信号上突发一个大幅值脉冲的效果。由于增益陡降，大信号脉冲的幅值在输出波形上被明显衰减。图中控制增益衰减的电压是CT引脚外接电容上的电压，由电容设置响应时间。控制电压在指定时间内与增益衰减(dB)成比例。
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响应信号幅值的变化，即使出现非常短的信号尖峰，也能提供有效防护，以确保大幅值信号不损害扬声器。但是，当按照信号的动态变化快速调节增益时，可能会产生“喘息”噪声。 对于信号幅值不断变化的电影配乐来说，采用比较长的时间常数可以避免噪声，优化音频质量。此时，在信号强度快速变化时增益保持相对固定，只对长时间的高强度信号进行增益调节，以便给放大器足够的响应时间。扬声器保护仍然有效，因为自动电平控制可降低大部分可能造成损害的信号幅值。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节。而较长的响应和释放时间则维持平滑的增益响应，以避免放大器响应过快，从而在基本保持动态范围的同时保持整个信号的幅值。
笔记本电脑内的扬声器放大器的工作电压一般为5V。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为：
在5V工作电压下，当输入幅值高于最大POUT的对应数值时将出现削波。MAX9756放大器能够通过选择PREF管脚和地之间的电阻调节增益衰减的阈值(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的阈值为例)：
调节RPREF值可改变阈值。如果音响系统受扬声器功率容量的限制，则可以设置阈值，使其远远低于放大器的最大输出功率，以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，则将阈值设置为刚好低于限幅电平，这样能优化音质并避免扬声器长期受强变化信号的损害。削波不仅导致音响效果差，还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是将阈值设置为刚好低于放大器最大输出功率时的效果。输入信号是正弦波，输出波形则在响应时间内被明显削波，但是当增益衰减完成后，就可避免削波现象。 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。较低的压缩比会缩小音频信号的动态范围，但不是完全消除。利用图5的外围电路，MAX9756可以得到更低的压缩比。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管脚。R1和R2分压器决定新的自动电平控制阈值。具体阈值由下式决定：
因为R1和R2电阻同时接地，所以在到达阈值之前，引脚PREF的等效阻抗等于R1和R2阻值的并联。因此，通过设置这两个并联电阻，就可以设置自动电平控制阈值。等式右边是RPREF的计算公式，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，自动电平控制具有低压缩比，并且在音频信号中保持大部分原有的动态变化范围。为得到3:1的压缩比，使R2为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。
自动电平控制带来的性能提高非常明显，图7a表示在没有自动电平控制情况下，DVD信号出现较强声音时的输出波形；图7b表示在相同的输入和相同的音量设置下，自动电平控制的工作效果。用户可以调高音量以改善对话效果，并且不用担心出现其它强音信号，音质也会由于避免了削波而得到改善。此外，自动电平控制可延长扬声器的寿命(减少削波)，并有助于保护低功率扬声器。最大音量设置比不带自动电平控制的同等系统提高了6dB。
自动电平控制也可以通过数字方式或通过现有的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，以进一步提高音质、增强扬声器保护。但这种方案使数字域的自动电平控制成为一个庞大的DSP系统，从而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播放器来说，将模拟自动电平控制集成在扬声器放大器中是一个很好的折衷。
作者：Adrian Rolufs，战略应用工程师，美信集成产品公司
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