【学习笔记】模拟设计（16）：一种应用于D类功放的新型AGC电路设计
2016年电子技术应用第5期
作者：胡建鹏，李晓江
摘 要： 提出一种应用于D类功放的带过温处理和电池电压跟踪功能的新型自动增益控制电路（Automatic Gain Control，AGC）结构，将芯片过温处理融入AGC增益调整中，解决传统过温处理导致声音骤停和骤起的问题，提高了电路使用体验。将电池电压变化映射到AGC比较门限电压中，避免电池电量较低时电池供电电压下降过大使芯片无法正常工作，而导致电池电量余留现象的发生，延长电池使用时间。
0 引言
随着社会的发展，人们对音频功放提出了更高的要求，不再只满足于响亮清晰地播放音乐，而更加注重音乐体验，追求整个音频范围内更完美的音质和更小的能量损耗，希望电池具有更长的供电时间[1]。
D类音频功放因能量利用率高、应用电路面积小的特点，越来越受到人们的青睐，逐渐被广泛应用于便携多媒体设备中，成为音频功放电路部分的主流配置。便携设备中使用D类功放芯片时，出于节约空间和成本的原因，往往会省去散热装置[2]，因此D类功放芯片一般都会设置温度保护电路。芯片过温时强制关断D类输出，拉低前放使能，直到芯片退出过温状态[3]。此类过温处理会导致声音骤停和骤起的现象，给用户造成不良的声音体验。此外，如今便携设备一般采用锂电池供电，锂电池的内阻会随着电量降低而增大，尤其当电量较低时电池内阻会快速增大。如果D类功放一直恒定以最大功率输出，电池供电电流越来越大，芯片端分得的供电电压将迅速下降。当供电电压低于某一电压时，芯片将停止工作，而此时电池仍余留一部分电量。针对以上两点，本文提出一种应用于D类功放的新型AGC电路，将过温处理环节融入AGC调节环路中，使过温处理变得缓和，声音变化圆润化。将AGC固定比较电压设计成随电池电压变化的可变电压，稳定电池供电电压，充分利用电池剩余电量，延长电池使用时间。
1 AGC电路系统设计
该新型AGC系统结构如图1所示，其数字部分由AGC和Limiter两大模块组成。
VGA为可变增益放大器(D类功放的前级放大器)由电阻盒和普通放大器实现，不同电阻值对应不同的放大倍数。AGC、Limiter为数字电路，Limiter模块为AGC模块服务，产生一个跟随电池电压变化的AGC比较电压（电池电压降低，Limiter产生的参考电压也降低），实现电池电压跟踪功能。无过温信号时，AGC环路正常工作，前放输出信号与Limiter产生的参考电压进行比较，得到的1 bit比较结果输入AGC模块，AGC模块将根据输入的比较结果调整VGA的增益。当VGA输出信号的幅值小于Limiter参考电压时，则增大放大器增益；当大于Limiter参考电压时，减小放大器增益，从而达到限制前放输出的幅值，避免斩波失真现象的发生。当存在过温信号时，无论比较器结果是0还是1，AGC只执行减增益操作，快速降低前放输出幅度，减少芯片功耗，避免热量进一步累积。退出过温状态后，AGC将进行快速增益恢复操作，VGA快速回到过温前的放大倍数，使过温处理时声音也能连贯悦耳。
1.1 AGC模块设计
针对过温处理会导致声音戛然停止和骤然出现的现象，本文创新地将过温处理环节融入AGC调节环路中融合过温处理的AGC数字模块结构如图2所示。AGC数字模块按功能可分为检测、延时控制和增益调整3部分电路。其主要功能为根据前放输出信号与Limiter参考电压的比较结果（cmp)和过温检测信号（OT，过温时为1，正常为0）迅速产生VGA下阶段的增益选择信号，是AGC反馈调节功能的主体部分。检测电路对过温信号（OT）和比较器结果进行采样，并将采样结果传递给延时控制电路和增益调整电路；延时控制电路将选择相应的延时进行延时计数；计数到对应的延时，增益加减计数器调整一次增益。AGC模块调整增益的范围是有限的，受到VGA的限制(本设计中VGA的增益范围为-16～+24 dB)。本设计中AGC模块输出结果为7 bit，有效编码-32～+48，总计80个台阶，对应VGA增益-16～+24 dB，因此每个台阶增益变化为0.5 dB。+24 dB是VGA的物理上限，还可通过设置AGC内部寄存器实现VGA软上限（低于+24 dB），方便芯片的调试和使用。
在D类功放中插入AGC设计能有效展宽输入音频摆幅，避免斩波失真和爆破音的出现。其设计有几个关键参数：门限阈值、启动时间和释放时间等。门限阈值即系统所允许的最大不失真输出幅度。启动时间（Attack Time）为从检测到信号超过阈值电压到输出下降到阈值电压之下的时间。释放时间（Release Time）指检测信号低于阈值电压时，压缩功能完全释放的时间。启动时间和释放时间的选取很大程度上取决于被处理声音信号的种类和希望得到的特点：短的启动时间能使超过阈值电压的迅速下降到不失真输出幅值之内，使声音“圆润”；长的启动时间则可以较好地反映缓慢变化的信号。与启动时间相反，短的释放时间可以很好地响应快速变化的声音信号，而长的释放时间会使声音平滑、柔和。典型的启动时间和释放时间范围分别为1 ms～100 ms和20 ms～5 s[4]。
因此，对AGC模块而言，延时处理电路设计是关键。本设计采用的启动时间（Attack Time）为0.027 ms/dB，释放时间（Release Time）为1 600 ms/dB。过温增益下调处理为200 ms/dB，过温后增益快速恢复为500 ms/dB。对应图2中4个延时分别为inc time：0.013 ms，dec time：800 ms，tinc time：100 ms，tdec time：250 ms。每次增益调整延时设置由比较器结果和过温信号设定，比较器为双幅度比较器，能检测音频输出的正负幅度。AGC以300 K的速率对比较器输出结果进行采样，音频信号输入频率范围默认为20～20 000 Hz，则一个正弦波周期至少15个采样点，延时控制电路根据采样值进行延时计数。为了使过幅信号快速限制在不失真输出之内，Attack Time设置较短为0.027 ms/dB，若前放输出音频信号超出不失真阈值电压比较多时，大约半个波峰内（8个采样点）即可下降1 dB；当前放输出音频信号下降到不失真阈值电压附近时，一个波峰内比较器为1的时间较短，而采样电路的采样点不一定正中波顶峰处，采到比较器结果为1时间很短，或者需要多个波峰才能采到一个1。这导致当前放输出音频信号下降到不失真阈值电压附近时，增益下降过慢。为了解决这一问题，本设计在延时计数电路中加入了时间继承结构，即在某一延时计数还未完成时，采样结果发生跳变，则下一延时计数将在已有计数的基础上继续计数，如此往复，直到达到某一延时增益改变。各延时计数状态跳变关系如图3所示。增益上升Release Time设置较长1 600 ms/dB，当前放输出音频信号不超出不失真阈值电压时，放大器可在较长时间内保持恒定，减少增益变化带来的失真。
1.2 Limiter模块设计
Limiter模块的主要功能是产生AGC环路中比较器一端的参考电压，即放大器输出的限幅电压。一般而言AGC环路中比较器的参考电压是固定值，由简单模拟电路实现，此处将参考电压电路改成数字电路，实现随电池电压变化可变的参考电压设计。采用此设计的原因是随着电池放电，电池电压越来越低，若音频功放仍以原有功率进行音频放大，电池输出的电流将越来越大，这会导致电池内部发热加剧，甚至有可能会对电池造成永久性的伤害。此外电池在不同的放电率下，电池电压的变化有很大的区别。放电率越大，相应剩余容量下的电池电压就越低。以锂电池为例（锂电池因为质量轻、单位能量密度高，被广泛应用于便携电子设备中），锂电池放电特性曲线如图4所示[5]。
电池分别以0.5 c、1 c、2 c放电速率放电，在相同剩余电量下电池电压始终是V(0.5 c)>V(1 c)>V(2 c)，放电结束后电池的剩余电量L(0.5 c)>L(1 c)>L(2 c)。若电池以恒定功率输出，放电特性曲线为一条放电率越来越大的曲线，即电池电压下降越来越快的曲线。一方面，芯片供电电压变化太快，会引发内部基准电路的波动，从而影响输出波形。另一方面，功率管导通需要一定电压，即D类功放存在最小不失真电压限制，当芯片供电电压过低时，会产生音频失真。从锂电池放电特性曲线图可知，当电池电量较低时，可以通过降低放电电流来维持供电电压。无论从保护电池的角度还是提高续航能力的角度考虑，比较理想的电池放电曲线是一条放电率逐渐减小的曲线。本设计将电池放电特性纳入设计考虑因素中，将电池电压变化反映给AGC环路，当电池电压低于某一电压值时，前放输出限幅随电压降低而减小，降低电池供电电流，延长便携设备的续航能力。
Limiter数字模块设计结构如图5所示。
整个模块核心为一特殊运算电路，对应公式(1)：
即在电池电压比较高时，Limiter输出最大值；当电池电压低于某一电压值时，Limiter以一定斜率随电池电压下降而下降，AGC门限降低。最大Limiter值、斜率K和转折点电压（inflection point）可由内部寄存器设置和修改，Limiter为6 bit输出，通过DA生成AGC的门限电压，Limiter 随电池电压变化曲线如图6所示。
在AGC电路中加入可变Limiter设计后的音频放大示意图如图7所示。刚开始使用时电池电量多，电池供电电压高，Limiter模块不启动，电路以最大功率进行音频放大。随着电量消耗，电池电压逐渐降低，当电池电压低于转折点电压后，Limiter开始启动，降低前放输出幅度，限制电路输出功率，从而降低电池供电电流。电池电量进一步消耗，电池供电电压变得更低，Limiter限制加剧，电池供电电流持续降低，而电池供电电流的降低会抑制电池供电电压的降低。因此，当电池电压下降到一定程度时，电池供电与电路耗能形成动态平衡，电池供电电压稳定在某一值附近，直到电池电量耗尽。在AGC电路中加入可变Limiter设计，不仅避免了便携音频设备在电池电量较低时使用产生的欠压失真情况，还有效利用电池剩余电量，延长了便携音频设备的使用时间。
3 电路FPGA仿真结果
文中提出了一种带过温处理和可变Limiter设计的AGC结构，为了验证电路的功能和性能，此处采用ALTERA公司 cyclone2F256 FPGA对电路RTL代码进行了仿真验证。电路仿真结果如图8所示。其中in为输入音频信号的幅值，b100为过温标志信号﹙高电平过温﹚，agcgain 和limiter分别为AGC模块、Limiter模块的数字部分输出。从仿真结果可知，电路在过温时采取了较为平滑的增益调节手段(过温增益下降200 ms/dB，过温后增益快速恢复为500 ms/dB）取代关断输出处理，避免了芯片过温处理声音骤停骤起的现象；电路加入随电池供电电压可变Limiter设计，AGC比较门限电平随电池电压下降而降低，限制了电池供电电流，避免了电池电量较低时电池供电电压过低而芯片过早关断现象的发生，延长芯片在电池供电下的使用时长。
4 结论
文中针对锂电池放电特点和D类功放芯片传统过温处理方法的不足，在原有音频AGC结构的基础上提出了一种带过温处理和电池电压跟踪功能的AGC结构，该结构在过温处理上加入增益调整时间，避免了芯片过温处理时声音骤停骤起的现象。加入随电池电压可变Limiter设计，使芯片在电池电量较低时仍能获得相对较高的供电电压，提高了电池的续航能力。
参考文献
[1] 杜虹，阮颐，刘燕涛．防破音D类音频功放的设计与应用[J]．电子与封装，2012(07).
[2] 倪磊．D类音频功率放大器的分析和设计要素[J]．电子与封装，2008(06).
[3] 吴永辉，曾云，马勋．音频功放芯片中过温保护电路的设计[J]．微电子学，2007(06).
[4] 杜虹，阮颐，刘燕涛．防破音D类音频功放的设计与应用[J]．电子与封装，2012(07).
[5] 徐进．锂电池充放电特性分析和测试[J]．中国西部科技，2011(11).