防破音D類音頻功放的設計與應用

杜 虹，阮 頤，劉燕濤

（上海貝嶺股份有限公司，上海 200233）

1 引言

隨著多媒體便攜設備的普及，音頻功放已經成為音頻部分的標準配置，用戶不再滿足于響亮地播放個性化的音樂，繼而對音頻功放提出了更高的要求：消耗更少的電流以延長電池的使用時間，在整個音頻范圍內提供完美音質，良好的射頻抑制能力減小電流聲，穩定的輸出功率以確保揚聲器不受損壞。D類功放以其高品質高效的特點得到了越來越廣泛的應用。

隨著D類功放的普及，又出現了新的問題。在用便攜式設備播放樂曲時，不同的音樂文件音量大小都存在差異，在連續播放時經常需要進行音量調節。即使對于同一首歌曲，波形幅度的動態范圍也會在40dB～60dB范圍內變化。因此音量變化時需要頻繁地調整音量，否則不是聲音太小，淹沒在噪聲里，就是出現了削頂失真。手機用戶在通過揚聲器播放音樂的時候，通常喜歡把音量調到最大來表現手機的震撼力。但是，音量的增加受到了電池電壓和揚聲器、音腔的約束，都會有一個最大的不失真輸出幅度，超過了這個幅度就會產生削波失真。失真的信號一旦超出揚聲器的額定功率，就會造成揚聲器的損壞，增加手機的返修率。采用防破音的D類功放，可以通過自動增益調節技術來提供一個完美的解決方案。

2 防破音D類音頻功放的設計

2.1 關鍵參數

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

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

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

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

圖1是不同參數設定情況下的時序特點。

圖1 防破音時序特點示意圖

2.2 常見的防破音技術

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

ALC電路的原理框圖如圖2所示。

圖2 ALC防破音技術框圖

ALC技術通過檢測第一級預放大電路的輸出幅度來自動調節其輸入阻抗。當第一級輸出的幅度過大容易引起破音時，ALC電路給出控制信號，將輸入電阻降低一個臺階。ALC技術由于其非連續的調節系統增益通常會帶來一些不太悅耳的聲音體驗，如聲音突變，毛刺音等。

2.3 改進型的AGC控制技術

本文設計了另外一種改進型的AGC控制，通過對PWM輸出的采樣來判斷破音程度，依據破音程度用防破音電路調制產生的PWM波形來自動調節第二級積分器的運放增益。使得PWM比較器輸出的PWM控制波基本達到無失真。其框圖如圖3所示。

圖3 改進型的AGC控制防破音技術框圖

圖3為本文設計的改進型AGC控制防破音電路的原理圖。傳統的D類功放一般由1、2、3、4組成。音頻信號經過前置放大器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送入PWM調制模塊3產生包含音頻信息的PWM信號，PWM信號經過驅動與H-橋電路后向外部揚聲器輸出脈沖驅動信號。現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的輸出信號進行破音采樣，當PWM信號出現破音時，信號會出現較長時間的高電平或者低電平，此時破音采樣電路給破音采樣電容充電產生破音采樣電壓。防破音開關控制電路6根據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7的開關。7打開時，D類放大器正常放大；7關閉時，放大器輸出為共模電平。從而降低PWM信號的占空比，消除破音。

在本文設計的電路中，門限閾值這一參數取決于破音采樣部分的采樣頻率，啟動時間這一參數取決于電容的充電速度，釋放時間這一參數取決于電容的放電速度。改進型的AGC控制防破音電路的最終效果如圖4所示，當輸入信號的幅度增加時，其電路自動平滑地減小系統的環路增益，確保在一個較大的動態輸入范圍內輸出無失真。

圖4 改進型的AGC控制實測效果

3 應用和實際測試結果

便攜設備對音頻功放的要求是體積小，外圍簡單。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增益調節/限幅技術，當功放檢測到輸出信號超過閾值電壓后，此時功放輸出音頻信號處于削頂失真狀態，幅度檢測電路產生一個與失真度相關的信號（Vagc），自動增益調節電路根據Vagc信號減小PWM調制器的輸入信號幅度，從而減小了功放的輸出幅度，降低系統增益，減小削頂失真，直到輸出音頻信號處于正常非失真狀態。同樣，當輸入信號較小、功放輸出無削頂失真時，幅度檢測電路的輸出Vagc=0，自動增益調節電路不對PWM調制器的輸入信號幅度衰減，系統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中實現自動增益調節的實測結果。

圖5 應用原理圖

圖6 防破音功能的實測結果

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

4 結論

隨著全球范圍內能源的日益緊張，電子系統對于能效方面的要求也逐步提高，尤其電池供電系統對功耗的要求更為苛刻。未來，市場對于高效率的D類功率放大器的需求會逐步增加。帶防破音功能的D類放大器以其獨特的優勢，給音樂愛好者帶來高品質的體驗，它在便攜設備中的應用具有廣闊的前景。

[1] 王伯禹，等.如何為手機等便攜設備選擇合乎要求的音頻功放 [J].集成電路應用，2010, 2.

[2] 上海貝嶺股份有限公司.音頻功放的關鍵指標[J].END電子設計技術，2009, 12.