一種增益控制裝置的製作方法
2023-10-17 13:40:39
本發明涉及電子電路技術領域，特別涉及一種增益控制裝置。
背景技術：
音頻放大器是將音頻信號進行功率放大，以驅動揚聲器達到擴音目的。在音頻處理過程中，為了提升音樂播放的效果，增大音樂播放的響度，通常需要對輸入的音頻信號進行自動增益控制，來調整輸入的音頻信號的信號幅度，衰減大幅值信號，放大小幅值信號，保證信號幅值的平穩。目前的音頻功率放大器大多帶有自動增益控制(AGC)功能。AGC是使放大電路的增益自動地隨信號強度而調整的自動控制方法，AGC自動增益控制電路的作用是在輸入信號幅度變化很大的情況下，自動保持輸出信號幅度在很小範圍內變化的一種自動控制電路。
現有技術中的增益控制方法，可以在檢測到放大器的輸出功率大於預定的功率閾值時，將輸出功率維持在設定的功率閾值。但是現有的增益控制方法在控制增益時容易造成失真，影響音頻播放效果；同時在檢測到放大器的輸出信號大於預定的預設閾值時，雖然能自動降低輸出信號，但是過程中信號輸出值已經超過揚聲器的最大功率值，容易造成揚聲器受損。
公開號為CN104485909A的專利文件提供了一種增益控制方法及裝置，其使用多組的AGC控制電路來判斷放大器的輸出，針對不同的輸出大小做不同時間的增益控制，可以提升音樂文件的播放效果，提升用戶的體驗。但是當輸出超過第一預設閥值(如揚聲器的最大功率)時，增益雖然會快速下降，但是信號輸出還是已經超過揚聲器的最大功率值，還是會使揚聲器損壞。同時，由於D類音頻放大器判斷輸出是否削頂是從積分器輸出判斷，而判斷不同輸出功率是從第一級可調增益放大器的輸出判斷，兩種機制判斷的位置不相同，因此其不適合用在D類音頻放大器上。
公開號為CN104767498A的專利文件提供了一種增益控制方法及裝置，其使用過零檢測，避免在輸出信號的峰值處對放大器的增益進行調整，從而提高音樂播放效果。但是當有多組AGC控制電路時，無法選擇是否需要過零檢測來改變增益。如有一個低頻音樂信號輸入時，輸出信號超過揚聲器最大功率限制時，必須要及時快速的降低增益，如果必須等到過零檢測後才能改變增益，可能會造成揚聲器受損。此外，過零檢測電路的第二檢測電路有使用高閥值與低閥值電平來判斷輸出信號，即輸出信號並不是在最低的點才送出過零檢測信號，所以改變增益時還是會造成一定的雜音，影響播放效果。
技術實現要素：
針對以上問題，本發明專利目的在於設計了一種增益控制裝置，可以保持良好的聲音品質，同時可以有效保護揚聲器，避免揚聲器超過最大功率而損壞。
本發明具體的技術方案如下：
一種增益控制裝置，包括前級增益放大器、電壓控制電路、調變電路、幅度檢測電路、過零檢測電路、防削頂幅度檢測電路和增益控制電路，所述前級增益放大器、電壓控制電路和調變電路依次連接，所述電壓控制電路分別通過所述幅度檢測電路和過零檢測電路連接所述增益控制電路，所述調變電路通過所述防削頂幅度檢測電路連接所述增益控制電路；其中，
所述電壓控制電路用於檢測並控制所述前級增益放大器的輸出信號；
所述幅度檢測電路用於接收所述電壓控制電路的輸出信號並與預設閾值進行比較，輸出相應的增益信號；
所述過零檢測電路用於判斷所述電壓控制電路的輸出信號是否過零點，並在過零點時向所述增益控制電路輸出相應的增益信號；
所述防削頂幅度檢測電路用於檢測所述調變電路的輸出信號是否出現削頂，並在出現削頂時向所述增益控制電路輸出相應的增益信號；
所述增益控制電路用於根據所述幅度檢測電路、過零檢測電路和防削頂幅度檢測電路輸出的增益信號判斷是否需要進行增益控制，以及在需要進行增益控制時對所述前級增益放大器的增益進行控制。
具體的，本發明所述增益控制裝置適用於D類音頻放大器。
具體的，本發明所述幅度檢測電路包括N個幅度檢測電路，N≥1。
具體的，本發明所述增益控制電路進一步包括：分別接收所述幅度檢測電路、過零檢測電路和防削頂幅度檢測電路輸出的增益信號，並判斷是否需要過零點是進行增益控制。
具體的，本發明所述電壓控制電路包括：第一比較器、第一控制開關、第二比較器和第二控制開關；
所述第一比較器的輸入端分別連接前級增益放大器的輸出信號和第一參考電壓，第一比較器的輸出端連接第一控制開關；
所述第二比較器的輸入端分別連接前級增益放大器的輸出信號和第二參考電壓，第二比較器的輸出端連接第二控制開關。
具體的，本發明所述過零檢測電路包括：第三比較器、第一延遲電路、第二延遲電路和異或門，所述第三比較器的輸入端分別連接所述電壓控制電路的輸出信號，第三比較器的輸出端一路通過非門連接第一延遲電路，另一路直接連接第二延遲電路，所述第一延遲電路和第二延遲電路的輸出端分別連接所述異或門的兩輸入端。
本發明提供的增益控制裝置與現有技術相比具有以下優點：
(1)通過電壓控制電路可以有效的保護揚聲器，避免揚聲器超過最大功率而損壞；
(2)提出的多組AGC增益控制功能，結合過零檢測與防削頂檢測，可以完整的判斷輸出信號，來進一步判斷增益該如何變化，能有效的對揚聲器進行保護，並同時保持良好的聲音品質；
(3)通過過零檢測電路可以在最小的信號時改變增益，避免產生增益變化時的雜音，可以保持良好的聲音品質。
附圖說明
以下參照附圖對本發明實施例作進一步說明，其中：
圖1是本發明的電路圖；
圖2是本發明實施例一的電路圖；
圖3是本發明本發明放大器信號與增益關係圖；
圖4是本發明電壓控制電路的電路圖；
圖5是本發明幅度檢測電路的電路圖；
圖6是本發明幅度檢測電路的輸入輸出示意圖；
圖7是本發明過零檢測電路的電路圖；
圖8是本發明過零檢測電路的輸入輸出示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。
本發明提出了一種增益控制裝置，請參閱圖1，包括前級增益放大器、電壓控制電路、調變電路、幅度檢測電路、過零檢測電路、防削頂幅度檢測電路和增益控制電路，所述前級增益放大器、電壓控制電路和調變電路依次連接，所述電壓控制電路分別通過所述幅度檢測電路和過零檢測電路連接所述增益控制電路，所述調變電路通過所述防削頂幅度檢測電路連接所述增益控制電路。其中，
所述電壓控制電路用於檢測並控制所述前級增益放大器的輸出信號；
所述幅度檢測電路用於接收所述電壓控制電路的輸出信號並與預設閾值進行比較，輸出相應的增益信號；
所述過零檢測電路用於判斷所述電壓控制電路的輸出信號是否過零點，並在過零點時向所述增益控制電路輸出相應的增益信號；
所述防削頂幅度檢測電路用於檢測所述調變電路的輸出信號是否出現削頂，並在出現削頂時向所述增益控制電路輸出相應的增益信號；
所述增益控制電路用於根據所述幅度檢測電路、過零檢測電路和防削頂幅度檢測電路輸出的增益信號判斷是否需要進行增益控制，以及在需要進行增益控制時對所述前級增益放大器的增益進行控制。
本發明提供的增益控制裝置可有效保護揚聲器，避免揚聲器受損。在第一級前級增益放大器輸出，加上電壓控制電路，設定的電壓控制點為負載揚聲器的最大功率PMAX。當放大器的輸出電壓超過揚聲器的最大功率時，會被電壓控制電路限制在此最大電壓點，不讓電壓超過，同時幅度檢測電路會檢測電壓控制電路的輸出，並輸出降增益的信號給增益控制電路，快速降低增益。
具體的，本發明所述增益控制電路進一步包括：分別接收所述幅度檢測電路、過零檢測電路和防削頂幅度檢測電路輸出的增益信號，並判斷是否需要過零點是進行增益控制。本發明的過零檢測判斷是經由增益控制電路來判斷是否需要在信號過零時來降增益。如果輸出信號已經超過PMAX或是電壓輸出信號削頂失真時，此時不需要等待過零信號，增益控制電路會馬上以最快的速度降低增益。尤其輸入是低頻信號時，若還要等待過零信號才能降增益，揚聲器會長時間處在高電壓情況下，容易導致損壞。且如果是輸出削頂失真，而不迅速降增益，會使聲音音質受損。本發明讓檢測點更接近零點，避免在信號較高的位置改變增益，造成雜音。
具體的，本發明所述增益控制裝置適用於D類音頻放大器，調變電路採用D類調變電路。請參閱圖2為本實施例一的電路圖。
幅度檢測電路可以有很多組，所述幅度檢測電路包括N個幅度檢測電路，N≥1。可根據揚聲器的功率限制範圍，來調整增益下降的速度，增加聲音的動態範圍。
請參閱圖3放大器信號與增益關係圖，本實施例設置有三檔幅度檢測電路，分別是最大功率PMAX、緩衝功率PMED、額定功率PRMS。揚聲器功率不可超過PMAX，否則會損壞。揚聲器功率則可長時間操作在PRMS下，而介於PMAX與PRMS之間就可以適當的調整，讓聲音在短時間內停留在此功率範圍，如此可以加大聲音的動態範圍。這此，加入PMED的功率判斷，PMED約是PRMS的1.2倍，為PRMS的緩衝功率，多一組功率判斷與時間控制，可以讓聲音響度更豐富。
請參閱圖3中區域A，當聲音突然變大，超過PMAX時，電壓控制電路會把輸出電壓限制在控制電壓點，不讓揚聲器有損壞的風險，同時增益控制電路控制增益快速下降(如0.16ms/dB)，把信號降低至PMAX以下。或者其他情況，當放大器電源電壓較低時，在還沒頂到PMAX時，輸出就發生削頂失真，此時，增益控制電路也控制增益快速下降(如0.16ms/dB)，讓聲音信號不失真，避免輸出不悅耳的聲音。
請參閱圖3中區域B，當輸出介於PMAX與PMED時，增益會中速下降(如0.64ms/dB)，允許短暫的大音量輸出。圖3中區域C，當輸出介於PMED與PRMS時，控制增益慢速下降(如21ms/dB)，來允許短暫的大音量輸出。圖3中區域D，當輸出介於PRMS與PHYS時，增益會維持住。圖3中區域E、F、G，當輸入信號變小，增益會先維持10ms後，在慢慢回復增益(如41ms/dB)，直到回復增益初始值，或是輸出介於PRMS與PHYS時才會停住。
具體的，請參閱圖4為電壓控制電路的電路圖，本實施例所述電壓控制電路包括：第一比較器OP_H、第一控制開關MP_H、第二比較器OP_L和第二控制開關MP_L。所述第一比較器的輸入端分別連接前級增益放大器的輸出信號和第一參考電壓，第一比較器的輸出端連接第一控制開關；所述第二比較器的輸入端分別連接前級增益放大器的輸出信號和第二參考電壓，第二比較器的輸出端連接第二控制開關。
電壓控制電路目的在防止輸出功率超過揚聲器的最大功率PMAX而使揚聲器損壞。工作原理是透過檢測前級增益放大器的輸出信號VOP、VON與參考電壓Vref_H、Vref_L的關係，當VOP或VON超過上限Vref_H或低於下限Vref_L時，會分別啟動比較器OP_H或OP_L電路來控制開關第一控制開關MP_H或第二控制開關MP_L來限制增益放大器輸出的信號，達到限制VOP與VON的電壓。
具體的，請參閱圖5為幅度檢測電路的電路圖，將電壓控制電路的輸出信號VOP、VON分別與VrefRMS、VrefHYS做比較，可以得到ATTRMS與RLSRMS訊號，再送到增益控制電路做增益控制。
請參閱圖6是幅度檢測電路的輸入輸出示意圖，ATTRMS為高電平時，增益控制電路準備降增益，RLSRMS為高電平時，增益控制電路準備升增益。VrefRMS與VrefHYS的差異必須要超過1個bit的增益降幅以上，否則會有增益上下跳動的問題。延遲電路的目的是為了防止電路受幹擾而造成誤動作，延遲時間可以是數微秒。其他不同幅度的判斷可以用相同的幅度檢測電路架構來達成。
防削頂幅度檢測電路類似幅度檢測電路，請參閱圖5，參考電壓則是三角波的上限值。D類調變器裡的PWM產生器是將積分器輸出的VOP1、VON1與三角波比較而得到PWM訊號。當輸出訊號有削頂的情況發生時，即OUTP與OUTN的duty到達100％或0％時，積分器的輸出訊號(VOP1與VON1)會超過三角波的幅度範圍，所以藉由判斷積分器輸出是否超過三角波上限值可以檢測出放大器輸出是否發生削頂。當發生削頂，放大器會快速降增益，避免聽到失真的聲音
具體的，請參閱圖7為過零檢測電路的電路圖。所述過零檢測電路包括：第三比較器、第一延遲電路、第二延遲電路和異或門，所述第三比較器的輸入端分別連接所述電壓控制電路的輸出信號，第三比較器的輸出端一路通過非門連接第一延遲電路，另一路直接連接第二延遲電路，所述第一延遲電路和第二延遲電路的輸出端分別連接所述異或門的兩輸入端。使用第三比較器比較電壓控制電路的輸出信號VOP與VON的訊號，經過延遲電路與異或門運算後，得到一脈波訊號，此脈波寬度由延遲電路決定。
請參閱圖8為過零檢測電路的輸入輸出示意圖。當輸入訊號突然停止，VOP與VON會無法交越，比較器會無法產生變化，此時，脈波偵測電路會偵測一段時間內是否沒有脈波訊號送過來。如距離上一次的脈波訊號已經超過50ms還沒有下一個脈波送過來時，脈波偵測電路會強制送出一脈波訊號，讓增益控制電路可以順利控制增益。此根強制送出的脈波是在沒有輸入訊號的情況下送出，所以增益改變會在訊號最小的時候，所以此時改變增益並不會產生雜音。
具體的，增益控制電路分別接收來自幅度檢測電路、防削頂幅度檢測電路與零點檢測電路的訊號，判斷是否需要降低增益或恢復增益，並以何種速度降低增益，是否需要過零點的時候降低增益等，來控制前置放大器的增益。
以上所述本發明的具體實施方式，並不構成對本發明保護範圍的限定。任何根據本發明的技術構思所做出的各種其他相應的改變與變形，均應包含在本發明權利要求的保護範圍內。