自動增益控制功能強化駐極體電容器麥克風效能

由麥克風捕捉回來的聲波必須預先轉為電路上的電壓，成為輸入的訊號，但由於駐極體電容器麥克風的靈敏度較低，聲音的失真度較大，會嚴重影響錄音效果，因此，我們必須採用前置放大電路及訊號調節電路，才可改善訊號雜訊比(SNR)及總諧波失真(THD)。部分工程師設計外型時尚、精緻的可攜式電子產品時，甚至會採用自動增益控制電路作為功能區段的一部分，以確保所有輸入的聲音訊號先經過某種程度的處理，才傳送往數位訊號處理器(DSP)或類比數位轉換器(ADC)。EDA中国门户网站$_ D6X#z U.kyh

下文將會詳細討論自動增益控制電路的設計，但在深入探討之前，我們最好先瞭解電路每一環節的基本功能。每一個自動增益控制迴路必須配備一個可以調節增益的裝置如可變增益放大器(VGA)，讓回授迴路可以抵銷輸出訊號振幅與參考電壓之間的誤差。此外，低通濾波功能也有助減低迴路的不穩定性，以便同時控制幾個波形周期。由於部分聲頻系統可能設有不穩定的迴路，因此這類聲頻系統的訊號經由類比數位轉換器數位化之前，其振幅必須先行加以調節。

可變增益放大器

典型的自動增益控制電路內含可變增益放大器以及執行積分及整流功能的回授迴路。但可變增益放大器並不普及，較難找到，而且成本比通用運算放大器貴。其實我們只要採用傳統的運算放大器，便可配置一款壓控放大器(VCA)，取代可變增益放大器，而事實上，壓控放大器的設計也非常簡單。可以考慮採用表2所示的電路，作為基本的運算放大器使用，這是設計較為簡單的非反相運算放大器。這個電路的增益約為1+Rf/Req。若要改變增益，便需調節Rf或Req。Req實際上是接面場效應電晶體(JFET)的汲極/源極電阻的轉變。接面場效應電晶體運作時若其汲極/閘極電壓及閘極/源極電壓出現轉變，非反相運算放大器的整體增益也可隨著加以改變。R1及R2也屬於回授電阻，讓用戶可以仔細調節Req。與此同時，另一運算放大器可確保系統發揮更好的線性表現，也為回授控制訊號與增益之間提供更有效的隔離。EDA中国门户网站+j*aGz)U$dM4N+`

實際的均方根至直流準位電轉換器 EDA中国门户网站|tzY e7Mk

壓控放大器在輸出端將輸入訊號放大之後，需由另一偵測電路監控輸出訊號。控制電路必須具備智慧功能，以偵測電壓究竟已過度放大還是放大不足。以這個情況來說，通常需要裝設內含整流器及積分器的負回授控制迴路。圖3所示的U3運算放大器雖然是對數/非對數(log/antilog)放大器，但實際上與另一U5運算放大器一同執行均方根至直流準位(rms-to-dc)轉換器的功能。輸出訊號的峰值電壓必須經由整流器加以全波整流，以便將峰值電壓轉為其平均值。R3及R4電阻則用來設定整流器的增益。與此同時，R3、R5及C2也提供時間常數，以便界定自動增益控制迴路的獲取時間及保持時間。此外，我們只要改變由R7及R8組成的分壓器的電位，便可透過積分器的反相接腳將臨界電流設定在啟動時的初始狀態。若訊號的均方根電流大於流入R6內的負電流，積分器會調低U5低雜訊運算放大器的增益。若訊號下降至臨界電流之下，運算放大器的增益便會隨即上升。EDA中国门户网站)_+S9SS-h[w~6QA

剖析自動增益控制背後的原理

正如上文提及，自動增益控制功能可在廣闊的動態範圍內監測運算放大器的輸出訊號，並且可將訊號的最高及最低振幅限定在指定的範圍內。以這個模擬測試為例來說，輸出訊號的峰值電壓大約可提高至10～20mV的範圍內。此外，由於自動增益控制的出擊時間(attack time)屬於重要的參數，因此為了確保能仔細調控性能，多花些時間及心思選擇電容值是非常值得的。表4及5顯示模擬測試的結果，測試時積分器內的C2分別採用不同的電容值。

自動增益控制的增益倍數當然是迴路的另一重要參數。只要調節主放大器內的Rf電阻的電阻值，便可改變輸出訊號的增益。但正如表6及7所顯示，即使Rf電阻值有改變，輸出電壓電位只有在初始階段時才會隨著改變；其原因是輸出電壓受到回授迴路的影響。自動增益控制功能一旦啟動，輸出訊號大致上會被限定在指定的電位範圍內。值得注意的是，若將自動增益控制的增益設定得太低，輸入訊號(尤其是低電位輸入訊號)可能會受到影響，以致無法將輸出訊號放大至要求的電壓範圍內。反過來說，若增益太大，可能會造成大幅度的過衝，產生開關/切換雜訊。EDA中国门户网站2K`+h(Lj)s

我們可以調節自動增益控制的輸出電位，例如採用電阻值較小的R7，便可獲得較大的增益。反過來說，若只需要較小增益，便應採用電阻值較大的R7。由於表8顯示R7的電阻已由7.9KΩ改為3KΩ，因此輸出訊號的峰值電壓便提高至10mV～20mV的範圍內。

我們除了可以採用R7調節自動增益控制功能之外，還可利用整流器內的R3及R4調控自動增益控制的輸出電位。但訊號輸入電容器以及二極體的恢復時間都會影響輸出訊號的電位，將電位逐漸減弱，參看表9。EDA中国门户网站1el9I#tzi

(本文作者為美國國家半導體亞太區放大器產品應用工程師)