自动电平控制(ALC)为扬声器提供有效保护

概述

对于一个操作系统的告警音或类似的音频信号，典型的动态范围即非常有限，用户在调高音量的时候不会考虑动态峰值引起的失真。另一方面，对于动态范围比较宽的DVD音频信号，笔记本电脑扬声器的局限性更加明显。对话和音响效果的音量差异非常大，从而迫使用户提高对话情况下的音量，而在强背景音的情况下调低音量，以避免削波失真。

在不调整音量的情况下，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，这个问题可能造成用户几乎不能收看DVD。

自动电平控制理论

具有自动电平控制(ALC)的放大器可以帮助解决由于小扬声器引起的问题。虽然放大器本身在不增大工作电压的情况下无法提高其最大

输出电压，并且也不能增大小扬声器的功率，但是，它可以在播放音频的时候动态调整输出电压的有效值。 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。

当信号高于压缩门限的时候，小的压缩比(例如2:1)将把输入端的4dB增量在输出端降低到2dB。较大的压缩比(20:1或更大)被归为限幅，因为一旦达到这一门限，无论输入信号如何增大，输出波形都将保持固定幅度。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，当探测到输出信号超过了设定门限时，就会缩减增益，保持输出在门限以下。 MAX9756在门限以上的增益响应接近平坦，压缩比几乎是无穷大(图1)。

图1. 对于低电平音量，放大器如同一个普通的线性放大器

当音量超过阈值时，缩减增益以避免输出超出门限。当输出电压增大到门限以上时，最大增益衰减量限制在6dB。

自动电平控制(ALC)时序

限幅器对信号幅度变化的响应速度可以显著的影响音效。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，直到信号幅度降至门限以下。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。释放时间是按照响应时间的比例计算的，并且通过施加在DR引脚的电压变化调整。通过将DR引脚连接到VDD、VBIAS或GND，可以选择三种比例之一。MAX9756为所有释放时间增加了50ms的固定保持时间，保持时间内增益不发生变化。

图2表示一个小幅度信号上突发一个大幅度脉冲的效果。随着增益陡降，大信号脉冲的幅度在输出波形上被明显衰减。图中控制增益降低的电压是CT引脚外接电容的电压，由电容设置响应时间。控制电压在指定时间内和增益衰减(dB)成比例。

图2. 一个小幅度信号上突发一个大幅度脉冲的效果

施加一个短暂的大信号可以观察到自动电平控制ALC的完整过程，放大器MAX9756的保持时间为50ms，响应和释放时间可以通过外部元器件调整。

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对信号幅度变化做出反应，即使出现非常短的信号尖峰，也能够提供有效防护。确保大幅度信号下不损害扬声器，但是，当按照信号的动态变化而快

速调节增益时，可能会产生"砰然"声或"喘息"声。

对于一个不断变换信号幅度的电影配乐来说，采用比较长的时间常数可以避免噪声，优化音频质量。这种情况下，增益在信号强度快速变化的时候保持相对固定，只对长时间的高强度信号进行增益调整，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(ALC)降低了大部分可能造成损害的信号幅度。

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。为了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整。而较长的响应和释放时间则维持平滑的增益响应，避免放大器响应过快，从而在基本保留动态范围的同时维持整个信号的幅度。

图3. 监测增益衰减控制电压和信号波形

短的响应和释放时间(a) 引起增益调整频繁变化，可能降低音响效果。长的响应和释放时间(b) 产生平滑的增益响应。

自动电平控制(ALC)的阈值

笔记本电脑内的扬声器放大器一般工作在5V电源下。采用8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是：

基于5V工作电压，输入幅度高于最大POUT的对应数值时，将会产生削波。MAX9756放大器能够通过选择PREF和地之间的电阻调整增益衰减的阈值(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阈值为例)：