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Mixed-Signal-ICs Schöner hören

| Redakteur: Kristin Rinortner

In Notebooks und tragbare DVD-Playern werden wegen des geringen Platzangebots nur akustische Wiedergabesysteme mit geringen Abmessungen eingesetzt. Damit verbunden ist ein stark eingeschränkter

( Archiv: Vogel Business Media )

In Notebooks und tragbare DVD-Playern werden wegen des geringen Platzangebots nur akustische Wiedergabesysteme mit geringen Abmessungen eingesetzt. Damit verbunden ist ein stark eingeschränkter Dynamikbereich und reduzierter Schalldruck bei Lautsprechern, die nur einen eingeschränkten Frequenzbereich wiedergeben. Die Klangqualität lässt sich jedoch mithilfe einer automatischen Pegelkontrolle verbessern.

Die physikalischen Einschränkungen von Notebooklautsprechern limitieren die Audiowiedergabequalität. Der Lautstärkeunterschied zwischen einem Sprachsignal und Soundeffekten ist so erheblich, dass man die Lautstärke während der Dialoge hoch regeln, bei lauten Szenen oder Hintergrundmusik wieder herrunter regeln muss.

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Ein Verstärker mit automatischer Pegelkontrolle (Automatic Level Control – ALC) eliminiert das geschilderte Problem, indem die Dynamik während der Wiedergabe geregelt wird.

Werden die Spitzen im Audiosignal oberhalb einer gesetzten Schwelle auf ein niedriges Maß zu reduziert, das dem Durchschnitt des restlichen Audiosignals entspricht, kann die Gesamtlautstärke angehoben werden, ohne dass gekappte Signalspitzen zu hörbaren Verzerrungen führen. Bekannt als Kompression oder Limiting wird dieses Verfahren in der Audiotechnik erfolgreich angewandt.

Kompression und Limiting

Eine leichtes Kompressionsverhältnis von 2:1 reduziert eine Zunahme von 4 dB am Eingang auf einen Pegelanstieg von nur 2 dB am Ausgang für Signale oberhalb der Kompressionsschwelle. Bie größeren Kompressionsraten von 20:1 und mehr bleibt das Ausgangssignal unverändert auf der gleichen Amplitude (Limiting) sobald die Schwelle erreicht wird

Der oben beschriebene Mechanismus ist im MAX9756, einem 2,3-W-Stereolautsprecher-Verstärker und Kopfhörerverstärker mit DirectDrive integriert. Der darin enthaltene ALC arbeitet im Wesentlichen als Limiter. Ausgangssignale oberhalb einer gegebenen Schwelle werden detektiert und die Verstärkung dynamisch reduziert, so dass im Schnitt der Ausgangspegel unterhalb der Schwelle bleibt. Die Verstärkung oberhalb des Schwellwertes gestaltet sich weitestgehend flach und repräsentiert eine annähernd unendliche Kompressionsrate (Bild 1).

Zeitverhältnisse bei automatischer Pegelkontrolle

Die Reaktionszeit, mit der ein Limiter auf Änderungen der Signalamplitude reagiert, bestimmt die Klangqualität. In dem Moment, in dem das Ausgangssignal den Schwellwert übersteigt, versucht der Verstärker den Pegel in der vorgegebenen Ansprechzeit (Attack) zu reduzieren. Die Verstärkung wird dann auf dem reduzierten Niveau gehalten, bis die Signalamplitude wieder abnimmt.

Die Ausschwingzeit (Release) bestimmt den Verlauf, wie schnell der Verstärker den Betrag der Amplitude wieder anhebt und den ursprünglichen Wert wieder erreicht. Für den integrierten Verstärkerbaustein wird die Ansprechzeit durch den Kapazitätswert des am Anschluss CT verbundenen Kondensators bestimmt. Gleichung 1 bestimmt die Ansprechzeit in Abhängigkeit vom Kapazitätswert.

? = 1500 × C

Die Ausschwingzeit ergibt sich als Verhältniswert zur Ansprechzeit und wird durch die Änderung der Spannung am Anschluss DR eingestellt. Einer von drei Werten kann gewählt werden, indem VDD, VBIAS oder GND am Pin DR angelegt wird. Der MAX9756 fügt zusätzlich eine feste Haltezeit von 50 ms auf allen einstellbaren Ausschwingzeiten hinzu. Eine Nachregelung der Verstärkung während der Haltezeit findet nicht statt.

Bild 2 zeigt die Auswirkungen eines verhältnismäßig großen Pulses, der während eines kleinen Amplitudenverlaufs auftritt. Die Amplitude des Pulses im Verlauf des Ausgangs ist erkennbar reduziert, während die Verstärkung nach unten fährt. Die Steuerspannung die zur Verstärkungsabnahme führt, ist die Spannung über dem Kondensator am Anschluss CT, welche die Ansprechzeit bestimmt. Diese Spannung ist proportional zur Dämpfung (in dB) zu einem gegebenen Zeitpunkt.

Ansprech- und Ausschwingzeiten

Die Ansprech- und Ausschwingzeiten müssen dem Verhalten des Quellsignals und der gewünschten Korrektur entsprechen. Bei kurzen Zeitkonstanten muss die automatische Pegelkontrolle den ankommenden Signaländerungen unmittelbar folgen. Hier erfolgt ein wirksamer Schutz auch gegen sehr kurze Signalspitzen.

Diese Einstellung gewährleistet, dass große Signalpegel einen Lautsprecher nicht beschädigen können. Andererseits verursachen kurze Reaktionszeiten des ALC hörbare Artefakte, wie das „Pumpen“ oder „Atmen“ im Ausgangssignal.

Längere Ansprech- und Ausschwingzeiten in der automatischen Pegelkontrolle verhindern Störgeräusche und können die Klangqualität entscheidend verbessern, wenn sich die Signalpegel ständig ändern. Die Verstärkung wird während der schnellen Signaländerungen relativ konstant gehalten und nur bei lang anhaltenden Änderungen nachgeregelt. Der Schutz für den Lautsprecher bleibt erhalten, da der ALC nach wie vor Signalanteile reduziert, die eine Beschädigung verursachen könnten.

Längere und kürzere Einstellzeiten

Die Auswirkungen zwischen einer langen und einer kurzen Einstellzeit lassen sich anhand der Steuerspannung, welche die Verstärkung bestimmt, und des Verlaufs des Audiosignals beobachten (Bild 3). Für aussagekräftige Signalverläufe sollte das Eingangssignal möglichst weit ausgesteuert werden. Kurze Ansprech- und Ausschwingzeiten führen zu häufigen Regelvorgängen in Passagen, die im Durchschnitt einen verhältnismäßig konstanten Verlauf haben. Längere Regelzeiten resultieren in einem ausgeglichenem Verstärkungsverlauf, die den ALC vor einer Überreaktion bewahren und deshalb das Gesamtbild des Signals originalgetreuer wiedergeben und gleichzeitig die Dynamik besser erhalten.

Betrachtungen zum Schwellwert

Die Verstärker der Lautsprecher in Notebooks werden zum großen Teil mit 5 V versorgt. Bei einem Lautsprecher mit einer Impedanz von 8 ? und in einer BTL-Verstärkertopologie (Bridge Tied Load) ergibt sich eine theoretisch verfügbare gleichbleibende Leistung von 1,56 W (Gleichung 2).

Jeder Versuch, mehr Leistung an die Last zu liefern, führt automatisch zu einem Klippen des Ausgangssignals. Der Schwellwert der Reduktion lässt sich mit Hilfe eines Widerstands am Anschluss PREF gegen Masse einstellen.

Der MAX9756 prägt einen Konstantstrom von 12 µA in den Widerstand. Man kann damit den Widerstandswert, bei einer angenommen Leistungsschwelle von 1,4 W gemäß Gleichung 3 berechnen.

Der Schwellwert lässt sich auf beliebige Werte durch ändern des Widerstands RPREF setzen. Bei kleinen Lautsprechern stellt man die Schwelle beträchtlich niedriger ein als die maximale Ausgangsleistung des Verstärkers. Verkraftet der Lautsprecher die volle Ausgangsleistung des Verstärkers, maximiert man die Klangqualität, indem man die Schwelle knapp unter die Ebene des Klippens setzt.

Bild 4 zeigt was passiert, wenn man die Schwelle kurz unterhalb der maximalen Ausgangsleistung des Verstärkers einstellt. Das Eingangssignal ist ein sinusförmiger Burst, die zwischen hohen und tiefen Werten alterniert. Das Ausgangssignal wird deutlich während der Ansprechzeit geklippt, aber das Klippen hört auf, sobald die Verstärkung reduziert ist.

Kompressionsrate reduzieren

Die Schwellwertbegrenzung schützt die Lautsprecher und vermeidet Klippen, aber eliminiert komplett die Dynamik wenn der ALC aktiv ist. Eine unendlich hohe Kompressionsrate bewirkt, dass das Eingangssignal keine Auswirkung auf das Ausgangssignal hat und dadurch ein lebloser und monotoner Audioklang entsteht.

Ist eine strikte Kontrolle des Ausgangsaudiosignals nicht erforderlich, verhindert eine niedrigere Kompressionsrate erfolgreich das Klippen und hält gleichzeitig die Dynamik in einem gewissen Rahmen. Die Kompressionsrate des MAX9756 kann durch eine externe Schaltung reduziert werden (Bild 5).

Der Operationsverstärker MAX4400 puffert den Ausgang CT des MAX9756 und stellt sicher, dass die zusätzliche Schaltung nicht die Spannung am Anschluss CT beeinflusst und dadurch die Ausschwingzeit. Die Eingangsimpedanz des OPVs von 1000 G? verhindert Stromverluste, die vorzeitig den Kondensator entladen könnten.

Der Ausgang des Operationsverstärkers wird in PREF durch R2 eingespeist. Dadurch definiert die Kombination von R1 und R2 die neue ALC-Schwelle. Gleichung 4 bestimmt die Schwelle in dieser Konfiguration.

Kurz bevor die Schwelle erreicht wird, ist die Impedanz am Anschluss PREF die Parallelschaltung von R1 und R2, da beide mit GND verbunden sind. Dadurch wird die ALC-Schwelle eingestellt. Die rechte Seite von Gleichung 4 beschreibt RPREF, die linke Seite den Widerstand der Parallelschaltung von R1 und R2.

Kompressionsrate über Widerstandsverhältnis einstellen

Das Verhältnis von R1 zu R2 beeinflusst die Kompressionsrate. Ist R2 viel größer als R1, hat der ALC eine höhere Kompressionsrate ähnlich der stark limitierenden Standardkonfiguration des MAX9756. Ist R2 kleiner ist als R1, hat der ALC eine niedrige Kompressionsrate. Dadurch bleibt der größte Teil der Originaldynamik des Audiosignals erhalten.

Um diese nützliche Kompressionsrate von 3:1 zu erreichen, setzt man R2 auf den 2,5-fachen Wert von R1. Bild 6 zeigt den Effekt der Spannungszunahme im MAX9756 mit Standardbegrenzung und der Kompressionsrate, die sich aus R2/R1 = 2,5 ergibt.

Verbesserungen der automatischen Pegelkontrolle

Die Verbesserungen, die sich durch ALC ergeben, sind beträchtlich (Bild 7). Bild 7a zeigt das Ausgangssignal während einer besonders lauten Passage eines DVD-Spielfilmes ohne ALC. In Bild 7b ist das Ausgangssignal bei derselben Eingangs- und Lautstärkeeinstellung mit eingeschaltetem ALC dargestellt.

Die dazugehörigen Gleichungen und alle Bilder finden Sie im Internet unter der unten angegebenen Infoclick-Nummer.

Maxim, Tel. +49(0)89 85799210

*Adrian Rolfus ist Strategic Applications Engineer bei MAXIM Integrated Products Inc. in Sunnyvale, USA.

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