摘要
TPA2028D1 是 TI 針對便攜設(shè)備推出的具有 AGC/DRC 功能的低功耗 D類放大器。由于性能突出，在業(yè)界得到了廣泛的應(yīng)用。而其本身可以通過 I2C 進(jìn)行配置，從而使得設(shè)計(jì)者能夠根據(jù)不同的應(yīng)用，優(yōu)化芯片設(shè)置，獲得更好的效果。
本文討論了怎樣優(yōu)化 TPA2028D1 設(shè)置，使其能夠更好的快速響應(yīng)智能手機(jī)等設(shè)備中的突發(fā)音，例如鍵盤音，提示音等信號。
1.介紹
TPA2028D1 是 TI 針對移動設(shè)備推出的高效率 D 類放大器。所集成的 DRC 和 AGC 功能能夠根據(jù)輸入信號的大小自動調(diào)整放大器的增益，以達(dá)到防止功放削波失真的目的，并且有效的提升輸出平均功率，從而改善音樂的回放效果。
TPA2028D1 具有靈活的可配置性。設(shè)計(jì)者能夠通過 I2C 訪問其寄存器，對放大器使能，增益，響應(yīng)速度等多個參數(shù)進(jìn)行配置，使其能夠針對不同的應(yīng)用場景進(jìn)行優(yōu)化。
由于 DRC 和 AGC 會根據(jù)信號大小調(diào)節(jié)增益，針對連續(xù)的音樂信號需要設(shè)置一定的 Attack Time 和Release Time 來保證優(yōu)良的回放效果。但是對于突發(fā)音信號維持時(shí)間過短，并且由于省電的需要，需要在播放前使能 TPA2028D1，并在播放結(jié)束后將其關(guān)閉。因此一些設(shè)計(jì)中，在播放例如鍵盤音或拍照音的時(shí)候存在聲音過小，或聲音漸變等現(xiàn)象。
本文通過對此現(xiàn)象的成因進(jìn)行分析，討論了如何通過優(yōu)化芯片參數(shù)的設(shè)置，解決類似問題的方法。
2.TPA2028的兩種關(guān)閉/使能方式
TPA2028可以通過硬件和軟件兩種方式進(jìn)行關(guān)閉和使能。
- 通過芯片 EN管腳，硬件的使能關(guān)閉方式；
- 通過芯片寄存器 0x01 bit6 EN和 bit5 SWS，軟件的使能關(guān)閉方式
2.1 硬件關(guān)閉/使能
關(guān)閉：
- EN管腳置低，芯片進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，所有寄存器被清除
使能：
- EN管腳置高，芯片進(jìn)入使能狀態(tài)，所有寄存器進(jìn)入初始狀態(tài)，如 Table 1。由于在初始狀態(tài)寄存器 0x01 EN=1 SWS=0 ，功放部分使能，可以直接進(jìn)行播放；
Table 1. TPA2028D1寄存器初始值
TPA2028D1的設(shè)計(jì)為，芯片使能后放大器初始增益由 Fixed Gain決定。而 TPA2028D1 Fixed Gain寄存器 Reg5/bit5:0 初始值為 00110，即 6dB，因此在此狀態(tài)下放大器的增益初始值固定為 6dB。由于Max Gain寄存器 Reg7/bit7:4初始值為 30dB，因此此時(shí)播放的信號以 Release time寄存器 Reg3/bit5:0的初始值 1.81秒/6dB的速度，從 6dB慢慢向 30dB增加。如 Figure 1所示。因此會造成明顯的淡入效果，對于存在時(shí)間過于短暫的信號，則造成過小的現(xiàn)象。
Figure 1. 硬件使能 TPA2028D1增益遞增
2.2軟件關(guān)閉/使能
關(guān)閉：
- EN=0 （Reg1/bit6）或者 SWS=1 (Reg1/bit5)
使能：
- EN=1 （Reg1/bit6）或者 SWS=0 (Reg1/bit5)
EN 和 SWS 不會清除寄存器的設(shè)定狀態(tài)，所有寄存器值維持原先的設(shè)置，因此 TPA2028D1 在軟件使能之后可以按照設(shè)定的 Fixed Gain和 Max Gain以及 Release Time進(jìn)行變化。如 Figure 2所示。因此只需要設(shè)置合適的 Fixed Gain, Max Gain 和 Release Time，就可以控制這種變化，從而消除 AGC和DRC帶來的淡入淡出問題。
Figure 2. 硬件使能 TPA2028D1增益遞增
值得注意的是，由于芯片內(nèi)部狀態(tài)的建立需要時(shí)間，因此會產(chǎn)生一定的輸出延遲。TPA2028 的延遲在 6ms 左右，由于這個時(shí)間相對 Ramp up 的時(shí)間相對短暫，而且處理器播放突發(fā)音時(shí)普遍存在一定的延遲，所以在一般的設(shè)計(jì)中輸出延遲可以忽略。但如果在實(shí)際的應(yīng)用中有處理器播放未加延遲的情況，則可以通過在處理器播放突發(fā)音文件前加入 6ms延遲來解決。
Figure 3. 輸出延遲
3. 利用不同的應(yīng)用模式選擇合適的參數(shù)設(shè)置
根據(jù)上面對突發(fā)音淡入現(xiàn)象原因的分析，為了解決 TPA2028D1 對突發(fā)音信號的響應(yīng)問題，解決問題的方式為:
- 用軟件使能 TPA2028D1代替硬件使能；
- 縮小設(shè)置的 Fixed Gain和 Max Gain之間的差別。
但由于音樂播放等應(yīng)用中，F(xiàn)ixed Gain和 Max Gain仍需要存在一定的差別。因此我們可以通過：
- 找到一組中間參數(shù)能夠平衡連續(xù)的音樂播放和突發(fā)音播放效果；
- 根據(jù)不同的應(yīng)用判斷是否存在突發(fā)音的播放，分別針對連續(xù)音樂的播放和突發(fā)音的播放設(shè)置兩套不同的參數(shù)。由于在實(shí)際應(yīng)用中，使能 TPA2028D1，播放突發(fā)音，再關(guān)閉，的應(yīng)用都是在一些特定的應(yīng)用下進(jìn)行。例如播放拍照音時(shí)，設(shè)備一般處于拍照狀態(tài)；鍵盤音，設(shè)備處于鍵盤輸入狀態(tài)。因此我們可以根據(jù)不用的應(yīng)用決定 TPA2028 參數(shù)的設(shè)置，使得在消除突發(fā)音淡入淡出效果時(shí)，不影響到音樂的播放效果。
由于現(xiàn)存的智能便攜設(shè)備操作系統(tǒng)應(yīng)用程序處于 UI層，而控制 TPA2028D1的驅(qū)動處于驅(qū)動層，因此需要通過驅(qū)動讀取操作系統(tǒng)的相關(guān) log文件對于應(yīng)用程序進(jìn)行判斷。
3.1適合突發(fā)音的設(shè)置
由于快速信號和音樂動態(tài)范圍和播放幅度不一樣，因此可以選擇獨(dú)立于音樂播放之外的另一套更適合快速信號播放的 TPA2028的參數(shù)。
選擇提示音播放增益。因?yàn)?TPA2028在芯片輸出使能后，增益會從 Fixed Gain向 Max Gain變化，因此縮小 Fixed Gain 與 Max Gain 的區(qū)別（3dB 以內(nèi)的增益變化一般不會引起聽覺響度明顯的變化），能夠限制 Gain的大幅變化。
選擇這個增益時(shí)還需要注意信號幅度和最大音量之間的關(guān)系，防止提示音過小或過大引起的問題。對于峰峰值在 500mV左右的輸出信號，建議的增益設(shè)置在 18dB~22dB之間。
由于快速信號動態(tài)范圍相對固定，因此一般不需要 DRC的介入，因此建議設(shè)置壓縮比為 1:1。
當(dāng)增益的變化被控制在較小的變化范圍以內(nèi)，Attack Time, Hold Time和 Release Time等參數(shù)對于漸變的影響就變得相對較小，但仍建議盡量減小將這幾個參數(shù)的值。
此外，因?yàn)檐浖P(guān)閉芯片后，芯片的 I2C 部分仍然使能，因此相比硬件關(guān)閉芯片功耗要高。在 3.6V至 4.2V 范圍內(nèi)，硬件關(guān)閉芯片，靜態(tài)電流在 0.2uA 至 0.3uA 之間。而使用軟件關(guān)閉芯片后，芯片的靜態(tài)電流在 50uA至 65uA之間。因此在設(shè)備進(jìn)入待機(jī)后可以硬件關(guān)閉 TPA2028。
3.2突發(fā)音設(shè)置的時(shí)序控制
因?yàn)樵陂_機(jī)或者退出待機(jī)狀態(tài)等情況下，仍然存在 EN 從拉低狀態(tài)到拉高狀態(tài)的變化，此時(shí)TPA2028D1 所有寄存器值均為初始狀態(tài)。因此在一次進(jìn)入突發(fā)音播放的情況下，我們需要設(shè)置芯片寄存器參數(shù)，使其適合突發(fā)音信號的播放。而使用軟件使能和關(guān)閉芯片，不會清除寄存器的狀態(tài)，因此之后使用軟件關(guān)閉芯片后，再次使能前則不需要重新設(shè)置寄存器參數(shù)。
首次使能時(shí)序的控制：
- 將 EN管腳拉高，使能芯片；
- 在 6ms內(nèi)使用 I2C將 SWS設(shè)置為 1，軟件關(guān)閉 TPA2028；
- 設(shè)置 Fixed Gain和 Max Gain，以及 Attack/Release Time；
- 使用 I2C將 SWS設(shè)置為 0，軟件使能 TPA2028；
- 延遲 6ms后開始進(jìn)行突發(fā)音的播放。
關(guān)閉時(shí)序的控制：
- 保持 EN管腳拉高，芯片一直處于使能狀態(tài)；
- 使用 I2C將 SWS設(shè)置為 1，軟件關(guān)閉 TPA2028；
再次使能時(shí)序的控制
- 使用 I2C將 SWS設(shè)置為 0，軟件使能 TPA2028；
- 延遲 6ms后開始進(jìn)行突發(fā)音的播放。
3.3實(shí)際案例
Android 智能手機(jī)，TPA2028D1 的應(yīng)用中，出現(xiàn)了電話撥號的應(yīng)用中，連續(xù)按撥號鍵，按鍵提示音逐漸變大的現(xiàn)象。
檢查按鍵音播放的流程為：
- 進(jìn)入電話撥號應(yīng)用程序后，TPA2028D1的 EN管腳被拉低；
- 處理器得到按鍵鍵值后，讀取按鍵音音頻文件，并同時(shí)拉高 EN腳進(jìn)行播放；
- 延時(shí) 1秒，如果沒有其他鍵按下，則拉低 EN腳關(guān)閉 TPA2028D1。
用 1kHz連續(xù)信號代替按鍵音，實(shí)測 TPA2028D1輸出波形如 Figure 4，信號緩慢增加，音量由小到大漸變。
Figure 4. 實(shí)際案例更改前 TPA2028D1輸出遞增波形
更改播放時(shí)序如下：
- 進(jìn)入電話撥號應(yīng)用程序后，拉高 TPA2028D1的 EN管腳；
- 通過 I2C設(shè)置芯片：
I2CWrite(0xb0, 0x01, 0xe3); //SWS=1, disable TPA2028D1
I2CWrite(0xb0, 0x05, 0x1e); //Fixed Gain=30dB
I2CWrite(0xb0, 0x07, 0xc0); //Max Gain=30dB
- 處理器得到按鍵鍵值后，讀取按鍵音音頻文件，同時(shí)通過 I2C設(shè)置芯片：
I2CWrite(0xb0, 0x01, 0xc3); //SWS=1, enable TPA2028D1
使能 TPA2028，進(jìn)行按鍵音播放；
- 延時(shí) 1秒，如果沒有其他鍵按下，則同時(shí)通過 I2C設(shè)置芯片：
I2CWrite(0xb0, 0x01, 0xe3); //SWS=1, disable TPA2028D1
關(guān)閉 TPA2028。
- 手機(jī)推出電話撥號應(yīng)用程序后，或者手機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后拉低 TPA2028D1的 EN管腳。
實(shí)測波形如 Figure 5。實(shí)際使用中，連續(xù)按按鍵，按鍵提示音正常。
Figure 5. 實(shí)際案例更改后輸出波形
4 小結(jié)
TPA2028D1由于加入了有效改善音樂重放效果的 AGC/DRC，其中包含的延遲設(shè)置，無法對于突發(fā)音等短暫信號起到快速響應(yīng)的效果。在我們的實(shí)際應(yīng)用中，如果能夠從以下兩個方面完善設(shè)計(jì)：
- 判斷播放模式，區(qū)分音樂和突發(fā)音的應(yīng)用場景，分別優(yōu)化參數(shù)設(shè)置；
- 以軟件方式使能或者關(guān)閉芯片；
即可達(dá)到更優(yōu)的播放效果。 |
