加快TPA2028D1对突发音信号（短暂提示音）的响应
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。
l 通过芯片 en管脚，硬件的使能关闭方式；
l 通过芯片寄存器 0x01 bit6 en和 bit5 sws，软件的使能关闭方式
2.1
2.2
2.1 硬件关闭/使能
关闭：
l en管脚置低，芯片进入关闭状态，所有寄存器被清除
使能：
l 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：
l en=0 （reg1/bit6）或者 sws=1 （reg1/bit5）
使能：
l 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：
l 用软件使能 tpa2028d1代替硬件使能；
l 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：
l 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；
l 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：
l 将 en管脚拉高，使能芯片；
l 在 6ms内使用 i2c将 sws设置为 1，软件关闭 tpa2028；
l 设置 fixed gain和 max gain，以及 attack/release time；
l 使用 i2c将 sws设置为 0，软件使能 tpa2028；
l 延迟 6ms后开始进行突发音的播放。
关闭时序的控制：
l 保持 en管脚拉高，芯片一直处于使能状态；
l 使用 i2c将 sws设置为 1，软件关闭 tpa2028；
再次使能时序的控制
l 使用 i2c将 sws设置为 0，软件使能 tpa2028；
l 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：
l 进入电话拨号应用程序后，tpa2028d1的 en管脚被拉低；
l 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；
l 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：
l 进入电话拨号应用程序后，拉高 tpa2028d1的 en管脚；
l 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
l 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；
l 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。
l 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：
l 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；
l 以软件方式使能或者关闭芯片；
即可达到更优的播放效果。
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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。
l 通过芯片 en管脚，硬件的使能关闭方式；
l 通过芯片寄存器 0x01 bit6 en和 bit5 sws，软件的使能关闭方式
2.1
2.2
2.1 硬件关闭/使能
关闭：
l en管脚置低，芯片进入关闭状态，所有寄存器被清除
使能：
l 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：
l en=0 （reg1/bit6）或者 sws=1 （reg1/bit5）
使能：
l 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：
l 用软件使能 tpa2028d1代替硬件使能；
l 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：
l 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；
l 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：
l 将 en管脚拉高，使能芯片；
l 在 6ms内使用 i2c将 sws设置为 1，软件关闭 tpa2028；
l 设置 fixed gain和 max gain，以及 attack/release time；
l 使用 i2c将 sws设置为 0，软件使能 tpa2028；
l 延迟 6ms后开始进行突发音的播放。
关闭时序的控制：
l 保持 en管脚拉高，芯片一直处于使能状态；
l 使用 i2c将 sws设置为 1，软件关闭 tpa2028；
再次使能时序的控制
l 使用 i2c将 sws设置为 0，软件使能 tpa2028；
l 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：
l 进入电话拨号应用程序后，tpa2028d1的 en管脚被拉低；
l 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；
l 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：
l 进入电话拨号应用程序后，拉高 tpa2028d1的 en管脚；
l 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
l 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；
l 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。
l 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：
l 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；
l 以软件方式使能或者关闭芯片；
即可达到更优的播放效果。
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