音頻功放AGC是個什么鬼？

ID:579947 · 發表于 2019-7-12 10:58

隨著智能手機、PAD等消費電子的迅猛發展，消費者對于聲音效果的要求越來越高。不但要求聲音大，還要音質好，這就對音頻功放提出了更高的要求。從發展的歷史來說，現在的D類功放、G類功放，或者其他五花八門的R類、W類功放，都是脫胎于音響的設計。在音響產品中，有DRC（動態范圍控制），在音頻功放中就相應的出現了AGC。他們的目的都是使得輸入信號相同的情況下，輸出功率盡量得到提高。理想的狀態是，輸入信號幅度大小不斷在變化，但是輸出功率一直恒定。有句戲稱的話來形容AGC的效果：輸入可大也可小，輸出板磚不動搖。也是對DRC/AGC功能的比較形象化的描述。 什么是AGC？ AGC是指Automatic Gain Control，即自動增益控制。主要作用是：當功放的輸入信號幅度變化很大的情況下，使輸出信號幅度保持恒定。當輸入信號達到一定強度時，啟動壓縮功能，減小放大增益，使得輸出幅度降低；當輸入信號降低到一定程度時，再逐漸恢復默認的放大增益。 AGC采用了音頻處理中壓縮擴展器的壓縮限幅功能，當信號到達功率限制點（limiter Power）后，通過主動降低功放內部的增益，使輸出控制在功率限制值上，保護喇叭的同時避免破音、雜音，同時提升聲音的整體響度。 如下圖所示，輸入信號的幅度在不斷變化，但是輸出信號的幅度是固定的，也就是說輸出功率是固定的。
     
AGC是怎么處理信號的？ 
沒有AGC功能時，系統對于輸入信號的放大倍數是固定的，為了保證喇叭不會損壞。所以，要按照輸入信號的最大幅度進行設計。這樣的話，就大大限制了功放的增益。在這種情況下，輸入信號比較小的時候，明顯會感覺到響度不夠。如果為了提高響度，而把功放的增益做得比較大，當輸入信號比較大的時候，就會導致輸入功率特別大，不但會導致“哧哧”的破音聲，還會損害喇叭，甚至會把喇叭給燒掉。 有了AGC功能后，因為芯片內部的反饋網絡可以保證輸出的額定功率。這樣，就可以對輸入信號采用較大的增益進行放大，當輸入信號比較大的時候，芯片自動把增益調小，讓其輸出功率固定在設置的額定功率點；當輸入信號比較小的時候，得到了更大的放大，總體音量得到明顯的提升。 AGC的實現，一般會有觸發時間（attack time），釋放時間（release time）等參數。觸發時間指的是輸入信號從小變大的時候，系統增益開始減小，一直到減小到最小值，所用的時間；釋放實現是指輸入信號從大變小，系統增益逐步恢復，一直恢復到原始值，所用的時間。該過程中，一般符合下圖規律：
     
下圖中，是針對同一個輸入信號，AGC功能啟動和關閉時，得到的輸出信號。很明顯可以看到，AGC功能打開的時候，輸出信號的平均功率明顯比較大。     AGC功能的局限性 
AGC功能目前已經得到廣泛的應用，包括TI、雅馬哈等國際大廠的音頻功放都具有此功能。但是，必須要指出的是，AGC功能的實現是在模擬域，而不是數字域。這就決定了其不可能完美解決功率、音質兩者的關系。 也就是說，當AGC觸發的時候，其實此時的功率已經超出了額定功率的范圍。模擬域的反饋，觸發，調整，是需要時間的。前文已經說到，AGC有觸發時間，釋放時間。觸發時間越短，對于輸出恒定功率的控制能力就越強；同時，增益也就變化的越劇烈，響度相對就越小，雜音的抑制效果就越好（超出額定功率，很可能就出現由于截頂失真導致的“哧哧”雜音）。反之則反。 所以，一般在進行音頻功放AGC設計的時候，會在觸發、釋放時間和響度、雜音等多個方面進行性能的平衡。    
目前發展趨勢 
根據電路理論，可以很容易知道，芯片可以提供的電壓越高，給信號提供的處理空間就越大。所以，目前，包括TI等許多廠商，都在通過提升功放的工作/驅動電壓來實現更好的音質效果。實現功放的驅動電壓提升，基本上有兩種：電荷泵升壓、Boost升壓。 對于電荷泵升壓，一般可以采用1.5倍，2倍的模式。也就是說，比如電池電壓是4V，最高可以升到6V或者8V。但是，隨著電池電壓的下降，電荷泵的最大驅動電壓也會隨之下降，導致在電池電壓變化的時候，聲音處理效果越來越差。 Boost升壓也是一種常用的方式，由于Boost是通過電感特性進行升壓，對電池電壓要求很低。可以保證在電池的全工作電壓域，都可以實現比較穩定可靠的驅動能力。在音質處理的穩定性方面，會有一定的優勢。目前比較常見的是通過Boost升壓到9V左右。 但是也要注意到，電荷泵的升壓，由于是通過電容不斷得進行電荷傳導實現，其EMI等特性比較好，而且對外圍器件沒有什么特殊的要求，成本比較低，設計起來兼容性好，比較方便。而Boost升壓，由于是電感進行電荷傳輸，而且是比較大的電流，就對電感的性能要求比較高，成本也就上去了。而且，Boost升壓在進行板級設計的時候，如何規避EMI干擾、地毯效應，也是一個比較頭疼的問題。

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