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摘要：近年来，多媒体设备的类型日益多样，音频功放也逐渐成为多媒体设备设计和制作中的重要器件。本文首先介绍了防破音D类音频功放设计方面的具体内容，并且探讨了实际的应用效果，希望能够为相关的工作提供一定的参考。
关键词：防破音；D类音频功放；调节
引言：D类音频功放能够为用户提供高品质的音乐服务，并且减少耗电量，保证扬声器正常工作。但是在具体的应用过程中，由于音乐文件种类不同，音量也存在差异，尤其是列表播放或者是随机播放时，要对音量进行调节，否则就会出现声音大小不一致以及声音不清晰或者是失真的情况。
1.防破音D类音频功放的具体设计
在对音量进行调节时，不能单单将音量调到最大，如果超出了电池电压和扬声器的失真输出幅度，就会产生削波失真，损坏扬声器。为了避免上述情况的出现，需要应用增益调节技术，解决D类音频功放防破音的问题。
1.1参数设计
在参数设计时，要采用压缩/限幅技术，它是专业音响系统常用的技术，除了这一技术外，还涉及门限阈值、启动及释放时间等参数。其中门限阈值指的是，防破音功能启动时需要的电压，也就是系统最大的不失真输出幅度，而启动时间指的是，从信号大于阈值电压时开始，到压缩功能全部展开时为止的时间。一般而言，启动时间的长短与声音的类型和特点有一定的关系，如果启动时间较短，说明处理的声音信号比较简洁，而且能够很快达到压缩状态，相反，如果启动时间较长，说明处理的声音信号比较婉转，变化缓慢，启动时间的范围在1ms～100ms之间。至于释放时间指的是，从信号小于阈值电压开始，到压缩功能全部释放时为止的时间。处理的声音信号和特点也会影响释放时间的长短，比如比赛的发令枪声、警笛声、下课铃声等，它们的释放时间较短，而一些乐器，比如二胡、马头琴、琵琶，它们演奏时的释放时间就很长，释放时间的范围在30ms～5s之间。
1.2技术要点
目前，比较成熟的防破音技术是ALC和AGC，其中ALC主要是对第一级预放大电路进行检测，根据输出的幅度，对输入的阻抗进行调节。假设第一级预放大电路的输出幅度过大，可能造成破音，那么ALC电路就会发出具体的控制信号，降低输入的阻抗，但是这种调节方法会产生比较明显的后果，比如声音突然发生变化，甚至从出现刺耳的杂音等，给用户带来了很不好的体验。本文选择了AGC技术作为研究对象，并且进行了一定的改进，改进后的AGC电路如图1所示。
图 1 改进后的AGC电路
在判断破音程度时，需要对PWM的输出进行采样，然后使用PWM波形调节第二节积分器，改变功放增益，从而消除失真现象。一般情况下，D类音频功放中的音频信号都是通过前置放大器进行处理，然后进入积分放大器，滤波处理后再进入PWM模块，从而产生具体的PWM信号，该信号中包含全部的音频信息，然后由扬声器输出相应的脉冲驱动信号。当出现破音情况时，PWM信号会表现出或高或低的电平，而且持续时间较长，所以需要对电容进行充电，并输出一定占空比的矩形波，降低PWM的占空比，起到消除破音的效果。另外，电阻与积分放大器的电容要并联在一起，从而让积分器具备低通滤波器的功能。这里还需要注意电源不匹配的问题，可能出现输出电压过高或者过低的情况，那么就需要先对共模电压进行检测，并且与标准电压进行对比，然后将共模误差反馈到信号输入端。
因为改变增益是解决破音和防止破音问题的关键，所以当检测到破音信号时，需要根据破音的程度，对系统的增益进行调节[1]。当波形处于破音状态，移位寄存器会接收到脉宽大于自身周期的脉冲信号，那么就会输出高电平，此时寄存器传输时间小于信号的脉宽。如果波形状态正常，那么移位寄存器的输入信号较小，信号的脉宽也小于寄存器的周期，所以会输出低电平，这时移位寄存器之后的电路处于停止工作的状态。需要注意的是，门限阈值的设置与采样频率有着密切的关系，而启动和释放时间又受到电容充电和放电速度的影响。当信号的幅度增加时，AGC电路会自动减小系统的增益，这样既保证了输入信号的范围不受影响，尤其是不会被压缩，同时又防止破音情况的出现。
2.防破音D类音频功放的实际效果
通过对市场中常见的便携设备进行调查，比如蓝牙音箱、便携式音箱、2.1声道小音箱、扩音器、ipod拉杆音箱、平板电脑、PSP游戏机、MP4、导航仪等，并且对几款生产场地为深圳市的便携设备进行了对比，发现这类便携设备对音频功放的要求十分严格，前提和重点就是体积小，目前防破音D类音频功放的体积很小，外围元件数量有限。因为应用自动增益调节技术，如果输出信号过高，检测电路就会产生一个与失真度一致的信号，然后控制PWM调制器的输入信号，降低系统增益。这里需要注意输入信号过低的情况，检测电路输出的电压信号为0，而PWM调制器不会出现信号衰减的情况，所以系统增益不会改变，数值等于初始值[2]。
在对防破音D类音频功放的实际效果进行验证时，需要做好相关的测试工作，在进行测试时，保证电源电压为4.1V时，增益设置为20dB，然后输入1kHz的频率信号。开启防破音控制电路，D类音频功放在动态范围为1.2Vrms以下时，输出功率很小，在2W左右，而不开启防破音控制电路，D类音频功放的输出功率较大，而且THD+N超过5％，会损坏扬声器。其中THD+N指的是总谐波失真+噪声，而Vrms指的是正弦交流信号的有效电压值，约等于峰值电压的0.707倍。
对于目前常用的便携设备而言，使用防破音D类音频功放，能够保证功率的稳定输出，而且不会受到音量大小以及电池性能的影响，可以为用户提供高品质的音乐服务。另外，防破音D类音频功放的市场十分广阔，分为单声道和双声道两大类，其中单声道D类音频功放主要型号是HT8693，在VDD=8.5V、THD+N=10%、4Ω负载下，能连续输出10W功率，而且具有防削顶失真（输出控制功能，可以检测到由于输入音乐以及语音信号幅度过大所引起的破音，并且进行抑制，从而提高音质，并保护扬声器免受过载损坏。双声道D类音频功放主要型号是HT560,可选硬件或者软件I2C控制并且能够提供2*30W/8Ω功率输出，而且具有过温限幅功能，如果芯片温度过高，就会自动降低增益，保证歌曲连续播放，防止出现中断的情况。另外，HT560还集成了输出端过流保护、片内过温保护和电源欠压异常保护等功能。
结论：综上所述，D类音频功放的效率很高，能够降低能源消耗，保证电池稳定和长时间工作，而防破音D类音频功放不仅效率很高，同时能够有效防止破音，为用户提供舒适的音乐体验，所以发展前景十分广阔。
参考文献：
[1]樊卫东. 双模式控制的防失真D类音频功率放大器[D].南京邮电大学,2015.
[2]尚建荣.一种无需滤波的D类音频功率放大器[J].火力与指挥控制,2015,40(02):133-136.
论文作者:赵松兰
论文发表刊物:《科技新时代》2019年5期
论文发表时间:2019/7/23
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