动态范围压缩，得到绝佳音质的好选择？

　　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。

TI中国区高性能模拟产品业务开发经理张洪为

　　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。

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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。
  
　　现有的放大器种类包括A类、B类、C类、D类、E类、F类、G类、H类等，“这些序号并没有特别涵义，即使有似乎也无人知晓了。但有人不守规律，发明了改良型放大器——T类，后来也没有为人所接受，慢慢消失了。”张洪为称。

　　而D类放大器最初提出是在1958年，近年来日益受到欢迎。消费类产品厂商正向D类放大器转移的主要原因在于其极高的效率，它产生的热量仅为线性放大器的一半。其效率可达80％以上，甚至还可以达到90％。

　　在效率、体积以及功率消耗方面，D类放大器具有明显优势。而在广为诟病的音质方面，经过业界的努力，D类放大器的音质已与AB类放大器没有区别，而TI此次推出的新品，就是在此基础上，能够提供给用户更为享受的音乐。
 
　　D类放大器输入是模拟信号、输出则是PWM信号PSP、助听器等产品，都会采用D类放大器，因为他们对待机时间是非常敏感。。其输出级在正、负电源之间切换，产生一系列电压脉冲，而非传统A类、B类、AB类放大器那样产生线性输出。其输出通过一个无源LC低通滤波器来驱动一个扬声器，输出晶体管在关断时，电流为“0”，而导通时的电压很小，这使得D类放大器的功率耗散远远低于其他方案。D类放大器的市场目前最关注的是手机。其次像GPS导航系统、PSP、助听器等对待机时间非常敏感应用都会采用D类放大器。

升压PK动态范围压缩

　　TI此前已经基于升压模式提供恒定音量的解决方案推出了TPA2013D1和TPA2014D1，TPA2013D1为4欧姆的负载提供了2.7W的输出功率，而对于有些便携产品不需这么大的功率，低成本方案TPA2014D1正是最佳选择，其功率略小于TPA2013D1。

　　除为保护喇叭外，TI此款具有动态范围压缩功能的立体声D类音频放大器旨在通过动态可编程技术改善便携式产品的实际使用状况。

　　在讲话时，一部分音节的声音比较响亮，另外一部分则比较轻，对所讲内容听不清楚的原因可能是某一个音节没有听清。我们会请讲话者再重复一遍，讲话者往往会提高音量或通过重音的方式达到声音清晰的效果，将轻的音节音量进行局部放大，“这就是我们人类与生俱来的动态范围压缩的超级DSP，”张洪为戏称。

　　为此，新品中整合了可自动提高软音量的 DRC（动态范围压缩），能够充分满足对扬声器更高音量的需求。同时设计人员还可利用 DRC 压缩音频动态范围，使之与扬声器的动态范围相匹配，从而减少了因音量过大而导致的削波与失真。此外，DRC 功能还可保护扬声器在高功率下不受损坏，因而能够有效避免现场设备故障。TPA2016D2 的 DRC 功能可释放 DSP 高达 20％ 的 MIPS。

　　在过去20年中，固定地参与动态范围压缩往往不能满足不同应用需求：如手机在不同的场合需求也各不相同，听音乐和开电话会议对动态范围压缩的特性要求是不同的，而且不同的音源、不同喇叭的灵敏度需要保证系统的不同增益。另外，噪声抑制即将小的声音放大，大的声音变小，如果音乐没有了，就只剩下背景噪声，影响人的体验，该产品中提供了噪声阈值，即在某段时间内的平均信号对比，若小于某一个值，就会被认为没有音乐输入，就可以把该外设完全关掉。此时音乐播放器信噪比会非常好。这个信噪比值是固定的，提高了信噪比也就提高了音乐体验。

　　DRC 可通过数字 I2C 控制编程，并使设计人员能够灵活地确定可优化其系统音频性能的参数。例如，用户可在 -28 dB ～ +30 dB 的范围内进行增益选择，并可对启始/保留/释放时间 (attack/hold/release time) 进行编程、还可选择压缩比和噪声阈值等。

　　对于动态范围音频控制，传统设计通过DSP是可以实现的，但是计算方法比较复杂，对要求快速上市时间的消费电子是不利的。为此，TI提供了一个可视化可编程工具，只要根据实际需求通过鼠标点击并拉动相应按钮就可以达到所需值，然后将这些数据配制成一个表格，并把该表格放在驱动程序中，软件工程师就可以轻松实现计。该产品在整个音频的信号链中是最后一级，它可以和前级的音频编解码器配合工作。

　　张洪为说：“如果对声音质量是一个绝对不妥协的，当然升压模式是最好的，任何的动态压缩都是人为制造一种失真，但如果应用主要分成不是‘发烧’级别音乐播放，动态范围压缩是非常受欢迎的。”

动态范围压缩之后？

　　此外，据张洪为透露，TI即将于2008年7月发布另外一款针对便携式市场的芯片——TPA2050D4，该产品提供了立体声、并带有Directpath（放大器与扬声器间 直接路径）技术，可直接驱动耳机，从而可提供2.6mm×2.6mm的小型封装。

　　无疑，在越来越紧张的上市时间、越来越低的功耗、越来越小的体积的压力下，“动态范围压缩”+“D类功率放大器”的人为制造失真正是顺应了这种趋势。那么在此之后，IC技术还能给我们带来何种别样的体验呢？