目前笔记型电脑与便携式DVD播放器所面临的一个重要问题是扬声器受限的动态范围，由于体积的限制，这些产品中的扬声器尺寸通常较小，因此只能产生局限频率范围内有限的声音输出。
对作业系统的警告信号或类似的音源来说，标准的动态范围已经足以限制使用者调高音量而不需担心动态突波会造成失真，另一方面，笔记型电脑扬声器对动态范围较大的DVD音轨输出限制则相当明显，对话与音效在音量上的差距可能会相当大，造成使用者必须调高音量来收听对话，并在较热闹的场景出现时降低音量以避免造成截波（clipping ）的情况。
如果不调整音量，那么使用者就必须选择在动态突波过高时忍受失真，或者是选择过低而无法完全清楚了解对话内容的音量设定，对于搭配较小型扬声器的笔记型电脑来说，这个问题将可能造成观赏DVD影片的困扰。
具备自动位准控制（Automatic Level Control；ALC）功能的放大器可以帮助消除小型化扬声器所带来的问题，虽然放大器无法在不提高电源电压的情况下加大最高输出电压，同时也不能提高小型喇叭的功率处理能力，但却可以在播放声音时动态调整RMS输出电压。如果把高于预先所设定临界值的声音波形输出最高值压低到较接近其他声音信号的位准，那么就可以在不造成最高输出截波的情况下提高整体信号的大小，依压缩比的大小称为“压缩”或“限制”，这项技术是音响产业经常使用的方法。
较低的压缩比，例如2:1可以将高于压缩临界点信号在输入端的4dB变化转变为输出端的2dB，较大的压缩比，例如20:1或更高基本上可以认为是一个限制动作，因为当信号位准达到临界值时，不管输入如何增加，输出波形都会维持在相同的振幅，压缩通常应用在录音或混音的过程，不过同时也能在之后应用到音讯串流上。
在MAX9756这类的放大器中，ALC基本上像一个限制器，它侦测高于所设定临界点的输出信号，并降低增益来让输出低于临界点，MAX975在高于临界点的增益响应基本上接近不变，这代表了几近无限大的压缩比，请参考(图一)。
| 《图一 对较低的音量，放大器会以普通线性放大器的方式运作，对高于临界值的位准则会降低增益以避免输出超过临界值。》 |
|
| 《图二 自动位准控制的完整周期可以透过加入明显较大的信号看出 》 |
|
自动位准控制时序
限制器对信号振幅改变的反应速度会大幅影响音响的效果，当输出信号超越临界值时，放大器便以启动时间（attack time）所指定的速度来降低增益，接着维持较低的增益位准直到信号振幅下滑为止，释放时间（release time）则控制了放大器提高增益，最后回到原先设定值的速率，对MAX9756放大器来说，启动时间由连接CT接脚到地的电容数值大小来控制，以下的方程式可以由电容值导出启动时间：
释放时间则以启动时间的比例计算，并透过改变加到DR接脚上的电压来调整，将DR接脚连接到VDD、VBIAS或接地可以选择3种不同的比例，MAX9756会对所有的释放时间都加上一个固定的50ms保持时间（hold time），在保持时间内则不会有任何的增益变动。
(图二)显示了在较小振幅信号中出现大信号脉冲的效应，输出波形中大信号的振幅明显地会在增益缩减时降低，这个降低增益控制电压是控制启动时间的CT接脚电容电压，在特定时间点下，这个电压值的大小和以dB为单位的增益缩减量成正比。
启动与释放时间的长短应该依照信号源的特性以及所需的效应加以调整，较短的时间常数会造成ALC快速跟随信号位准的变化，甚至能够在信号中出现最短的突波时进行保护动作，如此虽然可以确保较大信号不会破坏扬声器，但却可能会在增益快速调整以便跟随信号变动时造成耳朵可以听到的“砰砰”或“咻休”等人工杂音。
而对持续改变信号位准大小的影片音轨来说，较长的时间可以避免人工杂音，还能够将音效品质最佳化，在这种情况下，当信号位准快速变化时，增益通常会维持在相对固定的状态，只有在长时间的变化时才会加以调整，让放大器有足够的时间反应，扬声器保护功能基本上还是存在，因为ALC还是会压低大部分可能造成损坏的信号。
可以透过监测降低增益控制电压以及信号波形来观察较长与较短启动与释放时间的效应表现，请参考图三。为了产生具有代表性的波形，输入信号是一个全音量的音讯信号，较短的启动与释放时间会在信号通过时造成较频繁的增益调整动作，带来整体相对较稳定的信号强度，而较长的启动与释放时间则维持稳定的增益响应，避免放大器过度反应，因此可以维持整体的信号位准，同时保留信号中大部分的动态成分。
| 《图三 较短的启动与释放时间(a)造成可能会损害音质的频繁增益变化，较长的启动与释放时间(b)则可以带来较平滑的增益响应。》 |
|
| 《图四 在由小信号转换到大信号的过程中，输出波形一开始时会受到截波，但当增益缩减开始动作后，输出波形就会回到原本未截波的状态。》 |
|
ALC临界值
笔记型电脑中的扬声器放大器通常5V电源运作，以桥接式负载（Bridge Tied Load；BTL）方式所推动的8Ω扬声器来说，理论上的最高连续功率为：
由于电源为5V，因此任何想要提供负载更高功率的动作都会产生截波波形输出，但是像MAX9756这类的放大器则可以透过选择连接PREF接脚到地的电阻值大小来调整增益缩减动作启动的临界值，MAX9756会输出固定12μA安培的电流给这个电阻，因此可以透过以下的方程式来计算出电阻值，在这里以1.4W为例。
可以藉由调整RPERF电阻值的大小将临界值改变到想要的位准,如果音响系统受到扬声器承受功率的限制，那么我们可以透过将临界值设定在远低于放大器最高输出功率处来确保输出功率不会过大，如果扬声器可以忍受放大器的全幅输出功率，那么将临界值设定在贴近截波位准附近可以将音质提升到最高，同时保护扬声器不受长时间的破坏，截波波形不仅听起来不舒服，还可能造成扬声系统永久的损坏，截波波形的尖锐边缘对扬声器这类机械性元件来说相当困难再现，因此长时间就可能会造成失效。
(图四)显示了将临界值设定在刚好低于放大器最大功率输出下的效果，输入信号是一个在高低位准间变化的较大正弦波，输出波形明显地会在启动时间受到截波，但只要增益缩减动作完成后截波动作就会马上停止。
| 《图五 为MAX9756加上如MAX4400运算放大器以及电阻R2等外部电路可以降低ALC的压缩比。》 |
|
| 《图六 将MAX9756标准限制以及加上外部电路后的压缩加以比较，显示了对增益的调整更加平缓，同时也消除了水平的部分。》 |
|
降低压缩比
MAX9756所提供的限制功能对保护扬声器以及避免截波发生基本上相当有用，但却会在ALC动作时完全抑制动态变化，无限大的压缩比代表输入信号上任何强度的提升都不会对输出造成任何影响，因此会造成枯燥无趣且单调的音响输出，如果不需严格控制输出波形，那么采用较低的压缩比将有助于避免截波动作发生，同时维持部分的动态内容，较低的压缩比会降低音讯讯号内容的动态范围而不会完全将它们遗失，MAX975的压缩比可以透过加入如图五中的外部电路来加以降低。
MAX4400运算放大器将MAX9756的CT输出加以缓冲，以确保所加入的电路不会影响CT上的电压值，也就是释放时间。 MAX4400具备1000 GΩ的标准输入阻抗，免除可能造成电容放电的漏电流，运算放大器输出透过R2连接到PREF，因此R1与R2的并联组合就决定了新的ALC临界值，以下的方程式可以用来找出这个组态下的临界值：
在即将到达临界值前，由PREF接脚所看到的阻抗为R1与R2的并联组合，原因是这时两个电阻都接地，因此设定这个并联组合可以控制这种组态下ALC的临界值，方程式的右边是计算RPREF先前所提到的公式，左边则是R1与R2并联组合的阻值。
R2相对于R1的比值控制了新压缩比，当R2大于R1许多时，ALC便拥有类似于MAX9756标准硬体限制组态的高压缩比，当R2低于R1时，ALC为低压缩比，同时可以维持音讯信号中大部分的原始动态范围，要达成3:1的有用压缩比，将R2设定为R1的2.5倍，(图六)显示了MAX9756在标准限制以及R2/R1 = 2.5时压缩比对电压增益的影响。
| 《图七 在没有ALC的情况下(a)，输出信号会因输入信号较强而受到严重的截波，但在启动ALC后(b)，同样的输入波形在输出波形上的截波动作几乎完全被移除。》 |
|
ALC带来的改善
ALC所带来的改善相当显著，请参考(图七)，其中图(a)显示在没有ALC情况下由DVD电影输出较大声音时的输出波形，图(b)则是相同输入以及相同音量设定下启动ALC后的输出波形。
加入ALC后使用者不仅可以调大音量到可接受的范围来听取对话而不需担心其他声音过大，还能得到更佳的音响输出，原因是截波动作发生的频率较低，此外，ALC也因较少的截波动作而延长扬声器的寿命，并有助于保护较低功率的扬声器，与相同系统但没有配备ALC功能的情况比较，最大音量设定可以提高6dB。
当然我们也可以利用数位的方式来实现ALC，ALC可以透过现有的DSP硬体加以实现，并藉由执行复杂的处理程序，例如多重频带压缩进一步改善音质与扬声器的保护，虽然方便，但数位领域中的ALC由于需要更长的处理时间与更强大的处理能力而对DSP系统造成负担，相对来说，将类比ALC加入到扬声器放大器则是笔记型电脑以及便携式DVD播放器的一个较佳选择，原因是在这类应用中电池的使用时间才是主要关键，而声音的品质通常可以被些微牺牲。
（作者为美商Maxim美信公司策略应用工程师）
相關時事單元
相關產業類別
相關產品類別
相關網站單元