胡建鵬，李曉江

(中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029)

一種應(yīng)用于D類功放的新型AGC電路設(shè)計

胡建鵬，李曉江

(中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029)

提出一種應(yīng)用于 D類功放的帶過溫處理和電池電壓跟蹤功能的新型自動增益控制電路 （Automatic Gain Control，AGC）結(jié)構(gòu)，將芯片過溫處理融入AGC增益調(diào)整中，解決傳統(tǒng)過溫處理導(dǎo)致聲音驟停和驟起的問題，提高了電路使用體驗。將電池電壓變化映射到AGC比較門限電壓中，避免電池電量較低時電池供電電壓下降過大使芯片無法正常工作，而導(dǎo)致電池電量余留現(xiàn)象的發(fā)生，延長電池使用時間。

D類功放；AGC；過溫處理；電池電壓跟蹤

0　引言

隨著社會的發(fā)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(nèi)更完美的音質(zhì)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(yīng)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(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類功放芯片時，出于節(jié)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(shè)置溫度保護(hù)電路。芯片過溫時強(qiáng)制關(guān)斷D類輸出，拉低前放使能，直到芯片退出過溫狀態(tài)[3]。此類過溫處理會導(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。此外，如今便攜設(shè)備一般采用鋰電池供電，鋰電池的內(nèi)阻會隨著電量降低而增大，尤其當(dāng)電量較低時電池內(nèi)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(dāng)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(yīng)用于D類功放的新型AGC電路，將過溫處理環(huán)節(jié)融入AGC調(diào)節(jié)環(huán)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(shè)計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，延長電池使用時間。

1　AGC電路系統(tǒng)設(shè)計

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。

圖1　AGC系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖

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(xiàn)，不同電阻值對應(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），實現(xiàn)電池電壓跟蹤功能。無過溫信號時，AGC環(huán)路正常工作，前放輸出信號與 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輸出信號的幅值小于 Limiter參考電壓時，則增大放大器增益；當(dāng)大于Limiter參考電壓時，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)存在過溫信號時，無論比較器結(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快速回到過溫前的放大倍數(shù)，使過溫處理時聲音也能連貫悅耳。

1.1AGC模塊設(shè)計

針對過溫處理會導(dǎo)致聲音戛然停止和驟然出現(xiàn)的現(xiàn)象，本文創(chuàng)新地將過溫處理環(huán)節(jié)融入AGC調(diào)節(jié)環(huán)路中融合過溫處理的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、延時控制和增益調(diào)整3部分電路。其主要功能為根據(jù)前放輸出信號與Limiter參考電壓的比較結(jié)果（cmp)和過溫檢測信號（OT，過溫時為1，正常為 0）迅速產(chǎn)生VGA下階段的增益選擇信號，是AGC反饋調(diào)節(jié)功能的主體部分。檢測電路對過溫信號（OT）和比較器結(jié)果進(jìn)行采樣，并將采樣結(jié)果傳遞給延時控制電路和增益調(diào)整電路；延時控制電路將選擇相應(yīng)的延時進(jìn)行延時計數(shù)；計數(shù)到對應(yīng)的延時，增益加減計數(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)計中 VGA的增益范圍為-16～+24 dB)。本設(shè)計中AGC模塊輸出結(jié)果為 7 bit，有效編碼-32～+48，總計 80個臺階，對應(yīng) 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(shè)置AGC內(nèi)部寄存器實現(xiàn) VGA軟上限（低于+24 dB），方便芯片的調(diào)試和使用。

圖2　AGC模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

在D類功放中插入AGC設(shè)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(xiàn)。其設(shè)計有幾個關(guān)鍵參數(shù)：門限閾值、啟動時間和釋放時間等。門限閾值即系統(tǒng)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(nèi)，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(yīng)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(shè)計是關(guān)鍵。本設(shè)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(diào)處理為 200 ms/dB，過溫后增益快速恢復(fù)為 500 ms/dB。對應(yīng)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(diào)整延時設(shè)置由比較器結(jié)果和過溫信號設(shè)定，比較器為雙幅度比較器，能檢測音頻輸出的正負(fù)幅度。AGC以300 K的速率對比較器輸出結(jié)果進(jìn)行采樣，音頻信號輸入頻率范圍默認(rèn)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(jù)采樣值進(jìn)行延時計數(shù)。為了使過幅信號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超出不失真閾值電壓比較多時，大約半個波峰內(nèi)（8個采樣點）即可下降1 dB；當(dāng)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(nèi)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(jié)果為1時間很短，或者需要多個波峰才能采到一個1。這導(dǎo)致當(dāng)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(shè)計在延時計數(shù)電路中加入了時間繼承結(jié)構(gòu)，即在某一延時計數(shù)還未完成時，采樣結(jié)果發(fā)生跳變，則下一延時計數(shù)將在已有計數(shù)的基礎(chǔ)上繼續(xù)計數(shù)，如此往復(fù)，直到達(dá)到某一延時增益改變。各延時計數(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1 600 ms/dB，當(dāng)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(nèi)保持恒定，減少增益變化帶來的失真。

圖3　AGC狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖

1.2Limiter模塊設(shè)計

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，由簡單模擬電路實現(xiàn)，此處將參考電壓電路改成數(shù)字電路，實現(xiàn)隨電池電壓變化可變的參考電壓設(shè)計。采用此設(shè)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(jìn)行音頻放大，電池輸出的電流將越來越大，這會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)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(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（鋰電池因為質(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]。

圖4　鋰電池放電特性曲線圖

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(fā)內(nèi)部基準(zhǔn)電路的波動，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類功放存在最小不失真電壓限制，當(dāng)芯片供電電壓過低時，會產(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，可以通過降低放電電流來維持供電電壓。無論從保護(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)計將電池放電特性納入設(shè)計考慮因素中，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，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(shè)備的續(xù)航能力。

Limiter數(shù)字模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖5所示。

整個模塊核心為一特殊運(yùn)算電路，對應(yīng)公式(1)：

圖5　Limiter模塊結(jié)構(gòu)框圖

即在電池電壓比較高時，Limiter輸出最大值；當(dāng)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(zhuǎn)折點電壓（inflection point）可由內(nèi)部寄存器設(shè)置和修改，Limiter為 6 bit輸出，通過 DA生成 AGC的門限電壓，Limiter隨電池電壓變化曲線如圖6所示。

圖6　Limiter隨vbat電壓變化曲線

在AGC電路中加入可變Limiter設(shè)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(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(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，電池供電與電路耗能形成動態(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，不僅避免了便攜音頻設(shè)備在電池電量較低時使用產(chǎn)生的欠壓失真情況，還有效利用電池剩余電量，延長了便攜音頻設(shè)備的使用時間。

3　電路FPGA仿真結(jié)果

文中提出了一種帶過溫處理和可變 Limiter設(shè)計的AGC結(jié)構(gòu)，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(jìn)行了仿真驗證。電路仿真結(jié)果如圖8所示。其中in為輸入音頻信號的幅值，b100為過溫標(biāo)志信號（高電平過溫），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，電路在過溫時采取了較為平滑的增益調(diào)節(jié)手段(過溫增益下降 200 ms/dB，過溫后增益快速恢復(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，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(guān)斷現(xiàn)象的發(fā)生，延長芯片在電池供電下的使用時長。

圖8　電路FPGA仿真波形

4　結(jié)論

文中針對鋰電池放電特點和D類功放芯片傳統(tǒng)過溫處理方法的不足，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)在過溫處理上加入增益調(diào)整時間，避免了芯片過溫處理時聲音驟停驟起的現(xiàn)象。加入隨電池電壓可變 Limiter設(shè)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(xù)航能力。

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

[2]倪磊.D類音頻功率放大器的分析和設(shè)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(hù)電路的設(shè)計[J].微電子學(xué)，2007(06).

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

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

A new design of AGC circuit used in class D power amplifier

Hu Jianpeng，Li Xiaojiang
(Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China)

A new type of Automatic Gain Control(AGC)circuit with the functions of over temperature processing and battery voltage tracking was designed for class D power amplifier.The AGC circuit blended the chip over temperature processing in AGC gain adjustment,solving the problem of sound disappear and appear suddenly leaded by traditional thermal protection,and improving circuit user experience.When the battery voltage dropped too low,chip could not work.By mapping the battery voltage to AGC comparison threshold voltage，the circuit could avoid this phenomena and make full use of battery remaining capacity,extending battery work time.

class D power amplifier；AGC；over temperature processing；battery voltage tracking

TN492

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.013

2015-10-13)

胡建鵬(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：數(shù)字集成電路與系統(tǒng)設(shè)計。

李曉江(1972-)，男，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：專用集成電路設(shè)計與應(yīng)用。

中文引用格式：胡建鵬，李曉江.一種應(yīng)用于D類功放的新型AGC電路設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(5)：46-48，52.

英文引用格式：Hu Jianpeng，Li Xiaojiang.A new design of AGC circuit used in class D power amplifier[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：46-48，52.