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音频功放AGC是个什么鬼?

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ID:579947 发表于 2019-7-12 10:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
随着智能手机、PAD等消费电子的迅猛发展,消费者对于声音效果的要求越来越高。不但要求声音大,还要音质好,这就对音频功放提出了更高的要求。从发展的历史来说,现在的D类功放、G类功放,或者其他五花八门的R类、W类功放,都是脱胎于音响的设计。在音响产品中,有DRC(动态范围控制),在音频功放中就相应的出现了AGC。他们的目的都是使得输入信号相同的情况下,输出功率尽量得到提高。理想的状态是,输入信号幅度大小不断在变化,但是输出功率一直恒定。有句戏称的话来形容AGC的效果:输入可大也可小,输出板砖不动摇。也是对DRC/AGC功能的比较形象化的描述。
什么是AGC?
AGC是指Automatic Gain Control,即自动增益控制。主要作用是:当功放的输入信号幅度变化很大的情况下,使输出信号幅度保持恒定。当输入信号达到一定强度时,启动压缩功能,减小放大增益,使得输出幅度降低;当输入信号降低到一定程度时,再逐渐恢复默认的放大增益。
AGC采用了音频处理中压缩扩展器的压缩限幅功能,当信号到达功率限制点(limiter Power)后,通过主动降低功放内部的增益,使输出控制在功率限制值上,保护喇叭的同时避免破音、杂音,同时提升声音的整体响度。
如下图所示,输入信号的幅度在不断变化,但是输出信号的幅度是固定的,也就是说输出功率是固定的。


  

AGC是怎么处理信号的?

没有AGC功能时,系统对于输入信号的放大倍数是固定的,为了保证喇叭不会损坏。所以,要按照输入信号的最大幅度进行设计。这样的话,就大大限制了功放的增益。在这种情况下,输入信号比较小的时候,明显会感觉到响度不够。如果为了提高响度,而把功放的增益做得比较大,当输入信号比较大的时候,就会导致输入功率特别大,不但会导致“哧哧”的破音声,还会损害喇叭,甚至会把喇叭给烧掉。
有了AGC功能后,因为芯片内部的反馈网络可以保证输出的额定功率。这样,就可以对输入信号采用较大的增益进行放大,当输入信号比较大的时候,芯片自动把增益调小,让其输出功率固定在设置的额定功率点;当输入信号比较小的时候,得到了更大的放大,总体音量得到明显的提升。
AGC的实现,一般会有触发时间(attack time),释放时间(release time)等参数。触发时间指的是输入信号从小变大的时候,系统增益开始减小,一直到减小到最小值,所用的时间;释放实现是指输入信号从大变小,系统增益逐步恢复,一直恢复到原始值,所用的时间。该过程中,一般符合下图规律:


  

下图中,是针对同一个输入信号,AGC功能启动和关闭时,得到的输出信号。很明显可以看到,AGC功能打开的时候,输出信号的平均功率明显比较大。

  
AGC功能的局限性

AGC功能目前已经得到广泛的应用,包括TI、雅马哈等国际大厂的音频功放都具有此功能。但是,必须要指出的是,AGC功能的实现是在模拟域,而不是数字域。这就决定了其不可能完美解决功率、音质两者的关系。
也就是说,当AGC触发的时候,其实此时的功率已经超出了额定功率的范围。模拟域的反馈,触发,调整,是需要时间的。前文已经说到,AGC有触发时间,释放时间。触发时间越短,对于输出恒定功率的控制能力就越强;同时,增益也就变化的越剧烈,响度相对就越小,杂音的抑制效果就越好(超出额定功率,很可能就出现由于截顶失真导致的“哧哧”杂音)。反之则反。
所以,一般在进行音频功放AGC设计的时候,会在触发、释放时间和响度、杂音等多个方面进行性能的平衡。
  

目前发展趋势

根据电路理论,可以很容易知道,芯片可以提供的电压越高,给信号提供的处理空间就越大。所以,目前,包括TI等许多厂商,都在通过提升功放的工作/驱动电压来实现更好的音质效果。实现功放的驱动电压提升,基本上有两种:电荷泵升压、Boost升压。
对于电荷泵升压,一般可以采用1.5倍,2倍的模式。也就是说,比如电池电压是4V,最高可以升到6V或者8V。但是,随着电池电压的下降,电荷泵的最大驱动电压也会随之下降,导致在电池电压变化的时候,声音处理效果越来越差。
Boost升压也是一种常用的方式,由于Boost是通过电感特性进行升压,对电池电压要求很低。可以保证在电池的全工作电压域,都可以实现比较稳定可靠的驱动能力。在音质处理的稳定性方面,会有一定的优势。目前比较常见的是通过Boost升压到9V左右。
但是也要注意到,电荷泵的升压,由于是通过电容不断得进行电荷传导实现,其EMI等特性比较好,而且对外围器件没有什么特殊的要求,成本比较低,设计起来兼容性好,比较方便。而Boost升压,由于是电感进行电荷传输,而且是比较大的电流,就对电感的性能要求比较高,成本也就上去了。而且,Boost升压在进行板级设计的时候,如何规避EMI干扰、地毯效应,也是一个比较头疼的问题。
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