关于音质的好选择--动态范围压缩

dengxiaowei · 发表于 2007-2-14 19:08:37

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关于音质的好选择--动态范围压缩

如今，在音响界，如果谈资论辈，似乎再也没有像“动态范围压缩”这样堂而皇之地人为制造失真，反而受到好评的例子了!当然，除非你是狂热的音响“发烧友”，对声音质量绝不妥协。
如今，在音响界，如果谈资论辈，似乎再也没有像“动态范围压缩”这样堂而皇之地人为制造失真，反而受到好评的例子了!当然，除非你是狂热的音响“发烧友”，对声音质量绝不妥协。
更多的时候，你会权衡面积、器件成本、设计成本等因素，转而对动态范围压缩抛出橄榄枝。而TI首款具有动态范围压缩功能的立体声D类放大器的推出似乎也是情理之中的事情。
平常我们所说的动态范围是最强声音与最弱声音的强度差，单位用“db” 表示(即20Log10(P/Po))。一般语言的动态范围为20—40db，歌曲与音乐的动态范围为40—60db，交响乐的动态范围为70—120db。音频放大器的动态范围必须大于语言、音乐的动态范围。
“想唱就唱，唱的响亮”一下子红遍了大江南北，同时也点燃了便携式市场。便携设备同样要求放大器能够“唱的响亮”，但这受到了喇叭和电源电压的限制，功率越大、失真会越大、声音质量也会随之下降;同时更小的外形尺寸、更低的功耗也是便携式产品也是业界所追求的。
因此，在设计过程中，在整个电池使用寿命内均要提供高输出音量。仅以锂离子电池为例，其电压在3.0V—4.2V之间转换，如果直接供电，新电池的声音会很响亮，当电池电量即将耗尽时，声音会逐渐变小。此外，还许限制最高功耗。不同音源(如手机里MP3、FM收音机等来源)信号输入幅度是不等的，这就需要灵活控制输出外设，像耳机、喇叭等，甚至两个喇叭的灵敏度也不一样。同时，还需在保证良好信噪比情况下将声音响度最大化。
面对这些设计挑战，当电池电压变化时，要保持足够大声音输出，最简单的方法就是提供升压电路，TI此前提供了两款产品TPA2014D1、TPA2013D1，通过这种方法提供全电压之内恒定的最大输出功率。另外还有一个办法就是20年前就已经广为人知的动态范围压缩。
何为动态范围压缩?
顾名思义，动态范围压缩就是人为地压缩了动态范围，即将小信号根据需求放大若干倍、大信号不放大。普通CD典型动态范围是96 db，实际上经过人耳处理，噪声已经淹没了最小信号，所以在小型便携设备中真正能听到的动态范围是60 db(人说话的动态范围只有20—40db)，这样额外的动态范围没有任何用，反而白白浪费系统功耗、精度，而且使得用户无法听清。而通过动态压缩，人为地控制信号，如将小信号放大10倍、大信号不放大，动态范围从1：1000db到1:100db，这样做虽然牺牲了动态范围，但当信号是小信号时，相对信号强度并没有变小。TI中国区高性能模拟产品业务开发经理张洪为以弦乐和交响乐为例，如果放大器的动态范围是1比100db(10万)，而弦乐的动态范围远远小于这个范围，因此没有任何失真。当播放摇滚音乐时，会将猛烈的鼓点增益变成小音乐，而人而对敲鼓的失真并不敏感，因而能够保证用户对音乐的欣赏原汁原味。
这种动态范围压缩技术主要用于音乐欣赏、电话会议。“如果用手机、MP4学习英语，声音开的太轻有一些细节往往分辨不出来，声音开大就可以分辨出，但又会影响别人，这时候就需要动态范围压缩，”张洪为举了一个例子。
TI是较早接触立体声放大器的厂商之一，已经占据了D类放大器约40%的市场份额。IMS Research研究称未来几年，D类放大器市场将稳步增长。“因为全球现在主要便携式消费电子产品主流供应商都已经采用了D类放大器，因此市场份额不会出现大范围的突变，”张洪为说。在功能上，随着数字电视和数字广播的发展，数字音源会越来越多，逐步会有一些纯数字放大器进入市场，但目前两、三年内不会有明显变化，他预测。
述说A、B、AB、D类
TI今日推出的首款具有动态范围压缩功能的立体声D类放大器，与传统的A、B类放大器究竟有何区别?这样的命名规则背后又是怎样的秘密?
一般，晶体管功率放大器是由三极管组成，而三极管是由几组N-P、N-P结构成,该结构没有外加电压时是截止的，只有在外加一个偏置电压并高于其门限电压(硅管是0.6V，锗管0.2V)时，这个N-P结才会导通、有电流通过，三极管才开始工作。
A类功放就是把正向偏置定在最大输出功率的一半处，使功放在没有信号输入时也处于满负载工作状态，这样在整个信号周期内功放都导通且有电流输出。A类功放使三极管始终工作于线性区，因此A类功放几乎无失真，听感上质感特别好，尤其是小信号时，整个声音平衡，润滑，谐波丰富。但A类功放效率低，一般不大于25%，而且A类功放由于工作电流高，在同样输出功率时其工作电压要低很多，因此其输出峰值电压就受到限制，同时其输入电压也受到输出电压的放大器放大系数的限制。因此音乐的大动态表现就受影响。
B类放大器就是不外加固定偏置电压，通过信号电压打开，因此当信号电压小于0.6V时(硅管为例)三极管处于截止状态，输出为零。只有当信号电压大于等于0.6V时三极管才导通，放大器开始工作、输出端有信号输出。这样小信号在输出波形图上是与X轴重合的直线，即产生失真，而且输入信号中小信号越多，失真越严重。在听感上，就会出现音乐细节丧失，小信号变得模糊、微弱，整个乐曲变得不连贯。而且B类功率放大级必须用两只晶体管组成推挽电路，一只管子工作于信号电压的正半周，另一只则工作于信号电压的负半周，这种电路中当一只管子导通工作时，另一只就处于截止状态，当信号电压的另外半周来到时二只管子的工作状态正好交换，这时交越失真自然是免不了。但是B类功放的效率很高，可达到75%以上，因此可以使用较小的功率管输出较大功率，另外推挽电路对抑制偶次谐波有作用，以减低非线性失真。
针对B类功放存在的缺点设计人员就在三极管的输入端上加上一个预置的固定的略小于门限电压的偏置电压，就使得三极管在静态时输出级电流稍大于零，使得很小的信号电压时三极管也能导通，有电流输出，使得晶体管有大于信号半个周期的时间处于导通，交越失真也就不存在了，这就是AB类，AB类功放既克服了B类功放存在的问题，而电效率也大大高于A类功放。

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