0 引言

    隨著社會(huì)的發(fā)展,，人們對(duì)音頻功放提出了更高的要求,，不再只滿足于響亮清晰地播放音樂(lè)，而更加注重音樂(lè)體驗(yàn),，追求整個(gè)音頻范圍內(nèi)更完美的音質(zhì)和更小的能量損耗,，希望電池具有更長(zhǎng)的供電時(shí)間^[1]。

    D類(lèi)音頻功放因能量利用率高,、應(yīng)用電路面積小的特點(diǎn),，越來(lái)越受到人們的青睞，逐漸被廣泛應(yīng)用于便攜多媒體設(shè)備中,，成為音頻功放電路部分的主流配置,。便攜設(shè)備中使用D類(lèi)功放芯片時(shí)，出于節(jié)約空間和成本的原因,，往往會(huì)省去散熱裝置^[2],，因此D類(lèi)功放芯片一般都會(huì)設(shè)置溫度保護(hù)電路,。芯片過(guò)溫時(shí)強(qiáng)制關(guān)斷D類(lèi)輸出，拉低前放使能,，直到芯片退出過(guò)溫狀態(tài)^[3],。此類(lèi)過(guò)溫處理會(huì)導(dǎo)致聲音驟停和驟起的現(xiàn)象,，給用戶造成不良的聲音體驗(yàn)。此外,，如今便攜設(shè)備一般采用鋰電池供電,，鋰電池的內(nèi)阻會(huì)隨著電量降低而增大,，尤其當(dāng)電量較低時(shí)電池內(nèi)阻會(huì)快速增大,。如果D類(lèi)功放一直恒定以最大功率輸出，電池供電電流越來(lái)越大,，芯片端分得的供電電壓將迅速下降,。當(dāng)供電電壓低于某一電壓時(shí),，芯片將停止工作，而此時(shí)電池仍余留一部分電量,。針對(duì)以上兩點(diǎn),，本文提出一種應(yīng)用于D類(lèi)功放的新型AGC電路，將過(guò)溫處理環(huán)節(jié)融入AGC調(diào)節(jié)環(huán)路中,，使過(guò)溫處理變得緩和，聲音變化圓潤(rùn)化,。將AGC固定比較電壓設(shè)計(jì)成隨電池電壓變化的可變電壓,，穩(wěn)定電池供電電壓，充分利用電池剩余電量,，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間,。

1 AGC電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    該新型AGC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其數(shù)字部分由AGC和Limiter兩大模塊組成,。

    VGA為可變?cè)鲆娣糯笃?D類(lèi)功放的前級(jí)放大器)由電阻盒和普通放大器實(shí)現(xiàn),，不同電阻值對(duì)應(yīng)不同的放大倍數(shù),。AGC、Limiter為數(shù)字電路,，Limiter模塊為AGC模塊服務(wù),，產(chǎn)生一個(gè)跟隨電池電壓變化的AGC比較電壓（電池電壓降低，Limiter產(chǎn)生的參考電壓也降低）,，實(shí)現(xiàn)電池電壓跟蹤功能。無(wú)過(guò)溫信號(hào)時(shí),，AGC環(huán)路正常工作,，前放輸出信號(hào)與Limiter產(chǎn)生的參考電壓進(jìn)行比較,，得到的1 bit比較結(jié)果輸入AGC模塊，AGC模塊將根據(jù)輸入的比較結(jié)果調(diào)整VGA的增益,。當(dāng)VGA輸出信號(hào)的幅值小于Limiter參考電壓時(shí),，則增大放大器增益,；當(dāng)大于Limiter參考電壓時(shí),，減小放大器增益,，從而達(dá)到限制前放輸出的幅值,，避免斬波失真現(xiàn)象的發(fā)生,。當(dāng)存在過(guò)溫信號(hào)時(shí),，無(wú)論比較器結(jié)果是0還是1，AGC只執(zhí)行減增益操作,，快速降低前放輸出幅度，減少芯片功耗,，避免熱量進(jìn)一步累積。退出過(guò)溫狀態(tài)后,，AGC將進(jìn)行快速增益恢復(fù)操作,，VGA快速回到過(guò)溫前的放大倍數(shù),，使過(guò)溫處理時(shí)聲音也能連貫悅耳,。

1.1 AGC模塊設(shè)計(jì)

    針對(duì)過(guò)溫處理會(huì)導(dǎo)致聲音戛然停止和驟然出現(xiàn)的現(xiàn)象,，本文創(chuàng)新地將過(guò)溫處理環(huán)節(jié)融入AGC調(diào)節(jié)環(huán)路中融合過(guò)溫處理的AGC數(shù)字模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示,。AGC數(shù)字模塊按功能可分為檢測(cè)、延時(shí)控制和增益調(diào)整3部分電路。其主要功能為根據(jù)前放輸出信號(hào)與Limiter參考電壓的比較結(jié)果（cmp)和過(guò)溫檢測(cè)信號(hào)（OT,，過(guò)溫時(shí)為1，正常為0）迅速產(chǎn)生VGA下階段的增益選擇信號(hào),，是AGC反饋調(diào)節(jié)功能的主體部分。檢測(cè)電路對(duì)過(guò)溫信號(hào)（OT）和比較器結(jié)果進(jìn)行采樣,，并將采樣結(jié)果傳遞給延時(shí)控制電路和增益調(diào)整電路,；延時(shí)控制電路將選擇相應(yīng)的延時(shí)進(jìn)行延時(shí)計(jì)數(shù),；計(jì)數(shù)到對(duì)應(yīng)的延時(shí)，增益加減計(jì)數(shù)器調(diào)整一次增益,。AGC模塊調(diào)整增益的范圍是有限的,，受到VGA的限制(本設(shè)計(jì)中VGA的增益范圍為-16～+24 dB)。本設(shè)計(jì)中AGC模塊輸出結(jié)果為7 bit,，有效編碼-32～+48,，總計(jì)80個(gè)臺(tái)階，對(duì)應(yīng)VGA增益-16～+24 dB,，因此每個(gè)臺(tái)階增益變化為0.5 dB,。+24 dB是VGA的物理上限，還可通過(guò)設(shè)置AGC內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)VGA軟上限（低于+24 dB）,，方便芯片的調(diào)試和使用,。

    在D類(lèi)功放中插入AGC設(shè)計(jì)能有效展寬輸入音頻擺幅，避免斬波失真和爆破音的出現(xiàn),。其設(shè)計(jì)有幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：門(mén)限閾值,、啟動(dòng)時(shí)間和釋放時(shí)間等。門(mén)限閾值即系統(tǒng)所允許的最大不失真輸出幅度。啟動(dòng)時(shí)間（Attack Time）為從檢測(cè)到信號(hào)超過(guò)閾值電壓到輸出下降到閾值電壓之下的時(shí)間,。釋放時(shí)間（Release Time）指檢測(cè)信號(hào)低于閾值電壓時(shí),，壓縮功能完全釋放的時(shí)間。啟動(dòng)時(shí)間和釋放時(shí)間的選取很大程度上取決于被處理聲音信號(hào)的種類(lèi)和希望得到的特點(diǎn)：短的啟動(dòng)時(shí)間能使超過(guò)閾值電壓的迅速下降到不失真輸出幅值之內(nèi),，使聲音“圓潤(rùn)”,；長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間則可以較好地反映緩慢變化的信號(hào)。與啟動(dòng)時(shí)間相反,，短的釋放時(shí)間可以很好地響應(yīng)快速變化的聲音信號(hào),，而長(zhǎng)的釋放時(shí)間會(huì)使聲音平滑、柔和,。典型的啟動(dòng)時(shí)間和釋放時(shí)間范圍分別為1 ms～100 ms和20 ms～5 s^[4],。

    因此，對(duì)AGC模塊而言,，延時(shí)處理電路設(shè)計(jì)是關(guān)鍵,。本設(shè)計(jì)采用的啟動(dòng)時(shí)間（Attack Time）為0.027 ms/dB，釋放時(shí)間（Release Time）為1 600 ms/dB,。過(guò)溫增益下調(diào)處理為200 ms/dB,，過(guò)溫后增益快速恢復(fù)為500 ms/dB。對(duì)應(yīng)圖2中4個(gè)延時(shí)分別為inc time：0.013 ms,，dec time：800 ms,，tinc time：100 ms，tdec time：250 ms,。每次增益調(diào)整延時(shí)設(shè)置由比較器結(jié)果和過(guò)溫信號(hào)設(shè)定,，比較器為雙幅度比較器，能檢測(cè)音頻輸出的正負(fù)幅度,。AGC以300 K的速率對(duì)比較器輸出結(jié)果進(jìn)行采樣,，音頻信號(hào)輸入頻率范圍默認(rèn)為20～20 000 Hz，則一個(gè)正弦波周期至少15個(gè)采樣點(diǎn),，延時(shí)控制電路根據(jù)采樣值進(jìn)行延時(shí)計(jì)數(shù)。為了使過(guò)幅信號(hào)快速限制在不失真輸出之內(nèi),，Attack Time設(shè)置較短為0.027 ms/dB,，若前放輸出音頻信號(hào)超出不失真閾值電壓比較多時(shí)，大約半個(gè)波峰內(nèi)（8個(gè)采樣點(diǎn)）即可下降1 dB,；當(dāng)前放輸出音頻信號(hào)下降到不失真閾值電壓附近時(shí),，一個(gè)波峰內(nèi)比較器為1的時(shí)間較短，而采樣電路的采樣點(diǎn)不一定正中波頂峰處,，采到比較器結(jié)果為1時(shí)間很短,，或者需要多個(gè)波峰才能采到一個(gè)1。這導(dǎo)致當(dāng)前放輸出音頻信號(hào)下降到不失真閾值電壓附近時(shí)，增益下降過(guò)慢,。為了解決這一問(wèn)題,，本設(shè)計(jì)在延時(shí)計(jì)數(shù)電路中加入了時(shí)間繼承結(jié)構(gòu)，即在某一延時(shí)計(jì)數(shù)還未完成時(shí),，采樣結(jié)果發(fā)生跳變,，則下一延時(shí)計(jì)數(shù)將在已有計(jì)數(shù)的基礎(chǔ)上繼續(xù)計(jì)數(shù)，如此往復(fù),，直到達(dá)到某一延時(shí)增益改變,。各延時(shí)計(jì)數(shù)狀態(tài)跳變關(guān)系如圖3所示。增益上升Release Time設(shè)置較長(zhǎng)1 600 ms/dB,，當(dāng)前放輸出音頻信號(hào)不超出不失真閾值電壓時(shí),，放大器可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持恒定，減少增益變化帶來(lái)的失真,。

1.2 Limiter模塊設(shè)計(jì)

    Limiter模塊的主要功能是產(chǎn)生AGC環(huán)路中比較器一端的參考電壓,，即放大器輸出的限幅電壓。一般而言AGC環(huán)路中比較器的參考電壓是固定值,，由簡(jiǎn)單模擬電路實(shí)現(xiàn),，此處將參考電壓電路改成數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)隨電池電壓變化可變的參考電壓設(shè)計(jì),。采用此設(shè)計(jì)的原因是隨著電池放電,，電池電壓越來(lái)越低，若音頻功放仍以原有功率進(jìn)行音頻放大,，電池輸出的電流將越來(lái)越大,，這會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)熱加劇，甚至有可能會(huì)對(duì)電池造成永久性的傷害,。此外電池在不同的放電率下,，電池電壓的變化有很大的區(qū)別。放電率越大,，相應(yīng)剩余容量下的電池電壓就越低,。以鋰電池為例（鋰電池因?yàn)橘|(zhì)量輕、單位能量密度高,，被廣泛應(yīng)用于便攜電子設(shè)備中）,，鋰電池放電特性曲線如圖4所示^[5]。

    電池分別以0.5 c,、1 c,、2 c放電速率放電，在相同剩余電量下電池電壓始終是V(0.5 c)>V(1 c)>V(2 c),，放電結(jié)束后電池的剩余電量L(0.5 c)>L(1 c)>L(2 c),。若電池以恒定功率輸出，放電特性曲線為一條放電率越來(lái)越大的曲線，即電池電壓下降越來(lái)越快的曲線,。一方面,，芯片供電電壓變化太快，會(huì)引發(fā)內(nèi)部基準(zhǔn)電路的波動(dòng),，從而影響輸出波形,。另一方面，功率管導(dǎo)通需要一定電壓,，即D類(lèi)功放存在最小不失真電壓限制,，當(dāng)芯片供電電壓過(guò)低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生音頻失真,。從鋰電池放電特性曲線圖可知,，當(dāng)電池電量較低時(shí)，可以通過(guò)降低放電電流來(lái)維持供電電壓,。無(wú)論從保護(hù)電池的角度還是提高續(xù)航能力的角度考慮,，比較理想的電池放電曲線是一條放電率逐漸減小的曲線。本設(shè)計(jì)將電池放電特性納入設(shè)計(jì)考慮因素中,，將電池電壓變化反映給AGC環(huán)路,，當(dāng)電池電壓低于某一電壓值時(shí)，前放輸出限幅隨電壓降低而減小,，降低電池供電電流,，延長(zhǎng)便攜設(shè)備的續(xù)航能力。

    Limiter數(shù)字模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示,。

    整個(gè)模塊核心為一特殊運(yùn)算電路,，對(duì)應(yīng)公式(1)：

即在電池電壓比較高時(shí)，Limiter輸出最大值,；當(dāng)電池電壓低于某一電壓值時(shí),，Limiter以一定斜率隨電池電壓下降而下降，AGC門(mén)限降低,。最大Limiter值,、斜率K和轉(zhuǎn)折點(diǎn)電壓（inflection point）可由內(nèi)部寄存器設(shè)置和修改，Limiter為6 bit輸出,，通過(guò)DA生成AGC的門(mén)限電壓,，Limiter 隨電池電壓變化曲線如圖6所示。

    在AGC電路中加入可變Limiter設(shè)計(jì)后的音頻放大示意圖如圖7所示,。剛開(kāi)始使用時(shí)電池電量多，電池供電電壓高,，Limiter模塊不啟動(dòng),，電路以最大功率進(jìn)行音頻放大。隨著電量消耗，電池電壓逐漸降低,，當(dāng)電池電壓低于轉(zhuǎn)折點(diǎn)電壓后,，Limiter開(kāi)始啟動(dòng)，降低前放輸出幅度,，限制電路輸出功率,，從而降低電池供電電流。電池電量進(jìn)一步消耗,，電池供電電壓變得更低,，Limiter限制加劇，電池供電電流持續(xù)降低,，而電池供電電流的降低會(huì)抑制電池供電電壓的降低,。因此，當(dāng)電池電壓下降到一定程度時(shí),，電池供電與電路耗能形成動(dòng)態(tài)平衡,，電池供電電壓穩(wěn)定在某一值附近，直到電池電量耗盡,。在AGC電路中加入可變Limiter設(shè)計(jì),，不僅避免了便攜音頻設(shè)備在電池電量較低時(shí)使用產(chǎn)生的欠壓失真情況，還有效利用電池剩余電量,，延長(zhǎng)了便攜音頻設(shè)備的使用時(shí)間,。

3 電路FPGA仿真結(jié)果

    文中提出了一種帶過(guò)溫處理和可變Limiter設(shè)計(jì)的AGC結(jié)構(gòu)，為了驗(yàn)證電路的功能和性能,，此處采用ALTERA公司 cyclone2F256 FPGA對(duì)電路RTL代碼進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,。電路仿真結(jié)果如圖8所示。其中in為輸入音頻信號(hào)的幅值,，b100為過(guò)溫標(biāo)志信號(hào)﹙高電平過(guò)溫﹚,，agcgain 和limiter分別為AGC模塊、Limiter模塊的數(shù)字部分輸出,。從仿真結(jié)果可知,，電路在過(guò)溫時(shí)采取了較為平滑的增益調(diào)節(jié)手段(過(guò)溫增益下降200 ms/dB，過(guò)溫后增益快速恢復(fù)為500 ms/dB）取代關(guān)斷輸出處理,，避免了芯片過(guò)溫處理聲音驟停驟起的現(xiàn)象,；電路加入隨電池供電電壓可變Limiter設(shè)計(jì)，AGC比較門(mén)限電平隨電池電壓下降而降低,，限制了電池供電電流,，避免了電池電量較低時(shí)電池供電電壓過(guò)低而芯片過(guò)早關(guān)斷現(xiàn)象的發(fā)生，延長(zhǎng)芯片在電池供電下的使用時(shí)長(zhǎng),。

4 結(jié)論

    文中針對(duì)鋰電池放電特點(diǎn)和D類(lèi)功放芯片傳統(tǒng)過(guò)溫處理方法的不足,，在原有音頻AGC結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種帶過(guò)溫處理和電池電壓跟蹤功能的AGC結(jié)構(gòu),，該結(jié)構(gòu)在過(guò)溫處理上加入增益調(diào)整時(shí)間，避免了芯片過(guò)溫處理時(shí)聲音驟停驟起的現(xiàn)象,。加入隨電池電壓可變Limiter設(shè)計(jì),，使芯片在電池電量較低時(shí)仍能獲得相對(duì)較高的供電電壓，提高了電池的續(xù)航能力,。

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