加快 TPA2028D1对突发音信号（短暂提示音）的响应
发布时间：2013-5-10 17:06
发布者：eechina
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作者：Peter Wei，TI公司China Telecom Application Team 摘要 TPA2028D1 是 TI 针对便携设备推出的具有 AGC/DRC 功能的低功耗 D 类放大器。由于性能突出，在业界得到了广泛的应用。而其本身可以通过 I2C 进行配置，从而使得设计者能够根据不同的应用，优化芯片设置，获得更好的效果。 本文讨论了怎样优化 TPA2028D1 设置，使其能够更好的快速响应智能手机等设备中的突发音，例如键盘音，提示音等信号。 1. 介绍 TPA2028D1 是 TI 针对移动设备推出的高效率 D 类放大器。所集成的 DRC 和 AGC 功能能够根据输入信号的大小自动调整放大器的增益，以达到防止功放削波失真的目的，并且有效的提升输出平均功率，从而改善音乐的回放效果。 TPA2028D1 具有灵活的可配置性。设计者能够通过 I2C 访问其寄存器，对放大器使能，增益，响应速度等多个参数进行配置，使其能够针对不同的应用场景进行优化。 由于 DRC 和 AGC 会根据信号大小调节增益，针对连续的音乐信号需要设置一定的 Attack Time 和Release Time 来保证优良的回放效果。但是对于突发音信号维持时间过短，并且由于省电的需要，需要在播放前使能 TPA2028D1，并在播放结束后将其关闭。因此一些设计中，在播放例如键盘音或拍照音的时候存在声音过小，或声音渐变等现象。 本文通过对此现象的成因进行分析，讨论了如何通过优化芯片参数的设置，解决类似问题的方法。 2.TPA2028的两种关闭/使能方式 TPA2028可以通过硬件和软件两种方式进行关闭和使能。 通过芯片 EN管脚，硬件的使能关闭方式； 通过芯片寄存器 0x01 bit6 EN和 bit5 SWS，软件的使能关闭方式 2.1 硬件关闭/使能 关闭： EN管脚置低，芯片进入关闭状态，所有寄存器被清除 使能： EN管脚置高，芯片进入使能状态，所有寄存器进入初始状态，如 Table 1。由于在初始状态寄存器 0x01 EN=1 SWS=0 ，功放部分使能，可以直接进行播放； Table 1. TPA2028D1寄存器初始值 
TPA2028D1的设计为，芯片使能后放大器初始增益由 Fixed Gain决定。而 TPA2028D1 Fixed Gain寄存器 Reg5/bit5:0 初始值为 00110，即 6dB，因此在此状态下放大器的增益初始值固定为 6dB。由于Max Gain寄存器 Reg7/bit7:4初始值为 30dB，因此此时播放的信号以 Release time寄存器 Reg3/bit5:0的初始值 1.81秒/6dB的速度，从 6dB慢慢向 30dB增加。如 Figure 1所示。因此会造成明显的淡入效果，对于存在时间过于短暂的信号，则造成过小的现象。 
Figure 1. 硬件使能 TPA2028D1增益递增 2.2 软件关闭/使能 关闭： 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 不会清除寄存器的设定状态，所有寄存器值维持原先的设置，因此 TPA2028D1 在软件使能之后可以按照设定的 Fixed Gain和 Max Gain以及 Release Time进行变化。如 Figure 2所示。因此只需要设置合适的 Fixed Gain, Max Gain 和 Release Time，就可以控制这种变化，从而消除 AGC和DRC带来的淡入淡出问题。 
Figure 2. 硬件使能 TPA2028D1增益递增 值得注意的是，由于芯片内部状态的建立需要时间，因此会产生一定的输出延迟。TPA2028 的延迟在 6ms 左右，由于这个时间相对 Ramp up 的时间相对短暂，而且处理器播放突发音时普遍存在一定的延迟，所以在一般的设计中输出延迟可以忽略。但如果在实际的应用中有处理器播放未加延迟的情况，则可以通过在处理器播放突发音文件前加入 6ms延迟来解决。 
Figure 3. 输出延迟 3. 利用不同的应用模式选择合适的参数设置 根据上面对突发音淡入现象原因的分析，为了解决 TPA2028D1 对突发音信号的响应问题，解决问题的方式为: 用软件使能 TPA2028D1代替硬件使能； 缩小设置的 Fixed Gain和 Max Gain之间的差别。 但由于音乐播放等应用中，Fixed Gain和 Max Gain仍需要存在一定的差别。因此我们可以通过： 找到一组中间参数能够平衡连续的音乐播放和突发音播放效果； 根据不同的应用判断是否存在突发音的播放，分别针对连续音乐的播放和突发音的播放设置两套不同的参数。由于在实际应用中，使能 TPA2028D1，播放突发音，再关闭，的应用都是在一些特定的应用下进行。例如播放拍照音时，设备一般处于拍照状态；键盘音，设备处于键盘输入状态。因此我们可以根据不用的应用决定 TPA2028 参数的设置，使得在消除突发音淡入淡出效果时，不影响到音乐的播放效果。 由于现存的智能便携设备操作系统应用程序处于 UI层，而控制 TPA2028D1的驱动处于驱动层，因此需要通过驱动读取操作系统的相关 log文件对于应用程序进行判断。 3.1 适合突发音的设置 由于快速信号和音乐动态范围和播放幅度不一样，因此可以选择独立于音乐播放之外的另一套更适合快速信号播放的 TPA2028的参数。 选择提示音播放增益。因为 TPA2028在芯片输出使能后，增益会从 Fixed Gain向 Max Gain变化，因此缩小 Fixed Gain 与 Max Gain 的区别（3dB 以内的增益变化一般不会引起听觉响度明显的变化），能够限制 Gain的大幅变化。 选择这个增益时还需要注意信号幅度和最大音量之间的关系，防止提示音过小或过大引起的问题。对于峰峰值在 500mV左右的输出信号，建议的增益设置在 18dB~22dB之间。 由于快速信号动态范围相对固定，因此一般不需要 DRC的介入，因此建议设置压缩比为 1:1。 当增益的变化被控制在较小的变化范围以内，Attack Time, Hold Time和 Release Time等参数对于渐变的影响就变得相对较小，但仍建议尽量减小将这几个参数的值。 此外，因为软件关闭芯片后，芯片的 I2C 部分仍然使能，因此相比硬件关闭芯片功耗要高。在 3.6V至 4.2V 范围内，硬件关闭芯片，静态电流在 0.2uA 至 0.3uA 之间。而使用软件关闭芯片后，芯片的静态电流在 50uA至 65uA之间。因此在设备进入待机后可以硬件关闭 TPA2028。 3.2 突发音设置的时序控制 因为在开机或者退出待机状态等情况下，仍然存在 EN 从拉低状态到拉高状态的变化，此时TPA2028D1 所有寄存器值均为初始状态。因此在一次进入突发音播放的情况下，我们需要设置芯片寄存器参数，使其适合突发音信号的播放。而使用软件使能和关闭芯片，不会清除寄存器的状态，因此之后使用软件关闭芯片后，再次使能前则不需要重新设置寄存器参数。 首次使能时序的控制： 将 EN管脚拉高，使能芯片； 在 6ms内使用 I2C将 SWS设置为 1，软件关闭 TPA2028； 设置 Fixed Gain和 Max Gain，以及 Attack/Release Time； 使用 I2C将 SWS设置为 0，软件使能 TPA2028； 延迟 6ms后开始进行突发音的播放。 关闭时序的控制： 保持 EN管脚拉高，芯片一直处于使能状态； 使用 I2C将 SWS设置为 1，软件关闭 TPA2028； 再次使能时序的控制 使用 I2C将 SWS设置为 0，软件使能 TPA2028； 延迟 6ms后开始进行突发音的播放。 3.3 实际案例 Android 智能手机，TPA2028D1 的应用中，出现了电话拨号的应用中，连续按拨号键，按键提示音逐渐变大的现象。 检查按键音播放的流程为： 进入电话拨号应用程序后，TPA2028D1的 EN管脚被拉低； 处理器得到按键键值后，读取按键音音频文件，并同时拉高 EN脚进行播放； 延时 1秒，如果没有其他键按下，则拉低 EN脚关闭 TPA2028D1。 用 1kHz连续信号代替按键音，实测 TPA2028D1输出波形如 Figure 4，信号缓慢增加，音量由小到大渐变。 
Figure 4. 实际案例更改前 TPA2028D1输出递增波形 更改播放时序如下： 进入电话拨号应用程序后，拉高 TPA2028D1的 EN管脚； 通过 I2C设置芯片： I2CWrite(0xb0, 0x01, 0xe3); //SWS=1, disable TPA2028D1 I2CWrite(0xb0, 0x05, 0x1e); //Fixed Gain=30dB I2CWrite(0xb0, 0x07, 0xc0); //Max Gain=30dB 处理器得到按键键值后，读取按键音音频文件，同时通过 I2C设置芯片： I2CWrite(0xb0, 0x01, 0xc3); //SWS=1, enable TPA2028D1 使能 TPA2028，进行按键音播放； 延时 1秒，如果没有其他键按下，则同时通过 I2C设置芯片： I2CWrite(0xb0, 0x01, 0xe3); //SWS=1, disable TPA2028D1 关闭 TPA2028。 手机推出电话拨号应用程序后，或者手机进入待机状态后拉低 TPA2028D1的 EN管脚。 实测波形如 Figure 5。实际使用中，连续按按键，按键提示音正常。 
Figure 5. 实际案例更改后输出波形 4 小结 TPA2028D1由于加入了有效改善音乐重放效果的 AGC/DRC，其中包含的延迟设置，无法对于突发音等短暂信号起到快速响应的效果。在我们的实际应用中，如果能够从以下两个方面完善设计： 判断播放模式，区分音乐和突发音的应用场景，分别优化参数设置； 以软件方式使能或者关闭芯片； 即可达到更优的播放效果。 参考资料 1． datasheet (TPA2028D1.pdf） |
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