加快 TPA2028D1对突发音信号（短暂提示音）的响应 设计者

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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）