0 引言

    隨著社會的發展，人們對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，而更加注重音樂體驗，追求整個音頻范圍內更完美的音質和更小的能量損耗，希望電池具有更長的供電時間^[1]。

    D類音頻功放因能量利用率高、應用電路面積小的特點，越來越受到人們的青睞，逐漸被廣泛應用于便攜多媒體設備中，成為音頻功放電路部分的主流配置。便攜設備中使用D類功放芯片時，出于節約空間和成本的原因，往往會省去散熱裝置^[2]，因此D類功放芯片一般都會設置溫度保護電路。芯片過溫時強制關斷D類輸出，拉低前放使能，直到芯片退出過溫狀態^[3]。此類過溫處理會導致聲音驟停和驟起的現象，給用戶造成不良的聲音體驗。此外，如今便攜設備一般采用鋰電池供電，鋰電池的內阻會隨著電量降低而增大，尤其當電量較低時電池內阻會快速增大。如果D類功放一直恒定以最大功率輸出，電池供電電流越來越大，芯片端分得的供電電壓將迅速下降。當供電電壓低于某一電壓時，芯片將停止工作，而此時電池仍余留一部分電量。針對以上兩點，本文提出一種應用于D類功放的新型AGC電路，將過溫處理環節融入AGC調節環路中，使過溫處理變得緩和，聲音變化圓潤化。將AGC固定比較電壓設計成隨電池電壓變化的可變電壓，穩定電池供電電壓，充分利用電池剩余電量，延長電池使用時間。

1 AGC電路系統設計

    該新型AGC系統結構如圖1所示，其數字部分由AGC和Limiter兩大模塊組成。

    VGA為可變增益放大器(D類功放的前級放大器)由電阻盒和普通放大器實現，不同電阻值對應不同的放大倍數。AGC、Limiter為數字電路，Limiter模塊為AGC模塊服務，產生一個跟隨電池電壓變化的AGC比較電壓（電池電壓降低，Limiter產生的參考電壓也降低），實現電池電壓跟蹤功能。無過溫信號時，AGC環路正常工作，前放輸出信號與Limiter產生的參考電壓進行比較，得到的1 bit比較結果輸入AGC模塊，AGC模塊將根據輸入的比較結果調整VGA的增益。當VGA輸出信號的幅值小于Limiter參考電壓時，則增大放大器增益；當大于Limiter參考電壓時，減小放大器增益，從而達到限制前放輸出的幅值，避免斬波失真現象的發生。當存在過溫信號時，無論比較器結果是0還是1，AGC只執行減增益操作，快速降低前放輸出幅度，減少芯片功耗，避免熱量進一步累積。退出過溫狀態后，AGC將進行快速增益恢復操作，VGA快速回到過溫前的放大倍數，使過溫處理時聲音也能連貫悅耳。

1.1 AGC模塊設計

    針對過溫處理會導致聲音戛然停止和驟然出現的現象，本文創新地將過溫處理環節融入AGC調節環路中融合過溫處理的AGC數字模塊結構如圖2所示。AGC數字模塊按功能可分為檢測、延時控制和增益調整3部分電路。其主要功能為根據前放輸出信號與Limiter參考電壓的比較結果（cmp)和過溫檢測信號（OT，過溫時為1，正常為0）迅速產生VGA下階段的增益選擇信號，是AGC反饋調節功能的主體部分。檢測電路對過溫信號（OT）和比較器結果進行采樣，并將采樣結果傳遞給延時控制電路和增益調整電路；延時控制電路將選擇相應的延時進行延時計數；計數到對應的延時，增益加減計數器調整一次增益。AGC模塊調整增益的范圍是有限的，受到VGA的限制(本設計中VGA的增益范圍為-16～+24 dB)。本設計中AGC模塊輸出結果為7 bit，有效編碼-32～+48，總計80個臺階，對應VGA增益-16～+24 dB，因此每個臺階增益變化為0.5 dB。+24 dB是VGA的物理上限，還可通過設置AGC內部寄存器實現VGA軟上限（低于+24 dB），方便芯片的調試和使用。

    在D類功放中插入AGC設計能有效展寬輸入音頻擺幅，避免斬波失真和爆破音的出現。其設計有幾個關鍵參數：門限閾值、啟動時間和釋放時間等。門限閾值即系統所允許的最大不失真輸出幅度。啟動時間（Attack Time）為從檢測到信號超過閾值電壓到輸出下降到閾值電壓之下的時間。釋放時間（Release Time）指檢測信號低于閾值電壓時，壓縮功能完全釋放的時間。啟動時間和釋放時間的選取很大程度上取決于被處理聲音信號的種類和希望得到的特點：短的啟動時間能使超過閾值電壓的迅速下降到不失真輸出幅值之內，使聲音“圓潤”；長的啟動時間則可以較好地反映緩慢變化的信號。與啟動時間相反，短的釋放時間可以很好地響應快速變化的聲音信號，而長的釋放時間會使聲音平滑、柔和。典型的啟動時間和釋放時間范圍分別為1 ms～100 ms和20 ms～5 s^[4]。

    因此，對AGC模塊而言，延時處理電路設計是關鍵。本設計采用的啟動時間（Attack Time）為0.027 ms/dB，釋放時間（Release Time）為1 600 ms/dB。過溫增益下調處理為200 ms/dB，過溫后增益快速恢復為500 ms/dB。對應圖2中4個延時分別為inc time：0.013 ms，dec time：800 ms，tinc time：100 ms，tdec time：250 ms。每次增益調整延時設置由比較器結果和過溫信號設定，比較器為雙幅度比較器，能檢測音頻輸出的正負幅度。AGC以300 K的速率對比較器輸出結果進行采樣，音頻信號輸入頻率范圍默認為20～20 000 Hz，則一個正弦波周期至少15個采樣點，延時控制電路根據采樣值進行延時計數。為了使過幅信號快速限制在不失真輸出之內，Attack Time設置較短為0.027 ms/dB，若前放輸出音頻信號超出不失真閾值電壓比較多時，大約半個波峰內（8個采樣點）即可下降1 dB；當前放輸出音頻信號下降到不失真閾值電壓附近時，一個波峰內比較器為1的時間較短，而采樣電路的采樣點不一定正中波頂峰處，采到比較器結果為1時間很短，或者需要多個波峰才能采到一個1。這導致當前放輸出音頻信號下降到不失真閾值電壓附近時，增益下降過慢。為了解決這一問題，本設計在延時計數電路中加入了時間繼承結構，即在某一延時計數還未完成時，采樣結果發生跳變，則下一延時計數將在已有計數的基礎上繼續計數，如此往復，直到達到某一延時增益改變。各延時計數狀態跳變關系如圖3所示。增益上升Release Time設置較長1 600 ms/dB，當前放輸出音頻信號不超出不失真閾值電壓時，放大器可在較長時間內保持恒定，減少增益變化帶來的失真。

1.2 Limiter模塊設計

    Limiter模塊的主要功能是產生AGC環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環路中比較器的參考電壓是固定值，由簡單模擬電路實現，此處將參考電壓電路改成數字電路，實現隨電池電壓變化可變的參考電壓設計。采用此設計的原因是隨著電池放電，電池電壓越來越低，若音頻功放仍以原有功率進行音頻放大，電池輸出的電流將越來越大，這會導致電池內部發熱加劇，甚至有可能會對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別。放電率越大，相應剩余容量下的電池電壓就越低。以鋰電池為例（鋰電池因為質量輕、單位能量密度高，被廣泛應用于便攜電子設備中），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越大的曲線，即電池電壓下降越來越快的曲線。一方面，芯片供電電壓變化太快，會引發內部基準電路的波動，從而影響輸出波形。另一方面，功率管導通需要一定電壓，即D類功放存在最小不失真電壓限制，當芯片供電電壓過低時，會產生音頻失真。從鋰電池放電特性曲線圖可知，當電池電量較低時，可以通過降低放電電流來維持供電電壓。無論從保護電池的角度還是提高續航能力的角度考慮，比較理想的電池放電曲線是一條放電率逐漸減小的曲線。本設計將電池放電特性納入設計考慮因素中，將電池電壓變化反映給AGC環路，當電池電壓低于某一電壓值時，前放輸出限幅隨電壓降低而減小，降低電池供電電流，延長便攜設備的續航能力。

    Limiter數字模塊設計結構如圖5所示。

    整個模塊核心為一特殊運算電路，對應公式(1)：

即在電池電壓比較高時，Limiter輸出最大值；當電池電壓低于某一電壓值時，Limiter以一定斜率隨電池電壓下降而下降，AGC門限降低。最大Limiter值、斜率K和轉折點電壓（inflection point）可由內部寄存器設置和修改，Limiter為6 bit輸出，通過DA生成AGC的門限電壓，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設計后的音頻放大示意圖如圖7所示。剛開始使用時電池電量多，電池供電電壓高，Limiter模塊不啟動，電路以最大功率進行音頻放大。隨著電量消耗，電池電壓逐漸降低，當電池電壓低于轉折點電壓后，Limiter開始啟動，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，電池供電電流持續降低，而電池供電電流的降低會抑制電池供電電壓的降低。因此，當電池電壓下降到一定程度時，電池供電與電路耗能形成動態平衡，電池供電電壓穩定在某一值附近，直到電池電量耗盡。在AGC電路中加入可變Limiter設計，不僅避免了便攜音頻設備在電池電量較低時使用產生的欠壓失真情況，還有效利用電池剩余電量，延長了便攜音頻設備的使用時間。

3 電路FPGA仿真結果

    文中提出了一種帶過溫處理和可變Limiter設計的AGC結構，為了驗證電路的功能和性能，此處采用ALTERA公司 cyclone2F256 FPGA對電路RTL代碼進行了仿真驗證。電路仿真結果如圖8所示。其中in為輸入音頻信號的幅值，b100為過溫標志信號﹙高電平過溫﹚，agcgain 和limiter分別為AGC模塊、Limiter模塊的數字部分輸出。從仿真結果可知，電路在過溫時采取了較為平滑的增益調節手段(過溫增益下降200 ms/dB，過溫后增益快速恢復為500 ms/dB）取代關斷輸出處理，避免了芯片過溫處理聲音驟停驟起的現象；電路加入隨電池供電電壓可變Limiter設計，AGC比較門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電池供電電壓過低而芯片過早關斷現象的發生，延長芯片在電池供電下的使用時長。

4 結論

    文中針對鋰電池放電特點和D類功放芯片傳統過溫處理方法的不足，在原有音頻AGC結構的基礎上提出了一種帶過溫處理和電池電壓跟蹤功能的AGC結構，該結構在過溫處理上加入增益調整時間，避免了芯片過溫處理時聲音驟停驟起的現象。加入隨電池電壓可變Limiter設計，使芯片在電池電量較低時仍能獲得相對較高的供電電壓，提高了電池的續航能力。

參考文獻

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[2] 倪磊．D類音頻功率放大器的分析和設計要素[J]．電子與封裝，2008(06).

[3] 吳永輝，曾云，馬勛．音頻功放芯片中過溫保護電路的設計[J]．微電子學，2007(06).

[4] 杜虹，阮頤，劉燕濤．防破音D類音頻功放的設計與應用[J]．電子與封裝，2012(07).

[5] 徐進．鋰電池充放電特性分析和測試[J]．中國西部科技，2011(11).