美国国家半导体公司亚太区放大器产品应用工程师
近来，越来越多的电子消费产品如 MP3 播放器、个人数字助理、数码相机以至外形时尚的移动电话都添加了录音功能。为了确保具有广阔输入范围的音频系统能够捕捉音频范围内的所有声音，我们可以在信号线路上加设一个具有自动增益控制功能的音频麦克风前置放大器。本文介绍的解决方案采用多颗通用运算放大器组装这样的一款音频自动增益控制电路。
由于驻极体电容器麦克风 （ECM） 体积小巧、成本低廉，因此很受欢迎。由于驻极体电容器麦克风的灵敏度较低，声音的失真度较大，以致会严重影响录音效果，因此，我们必须采用前置放大电路及信号调节电路，才可改善信噪比 （SNR） 及总谐波失真 （THD）。部分工程师在设计外型时尚的便携式电子产品时，甚至会采用自动增益控制电路作为功能块的一部分，以确保所有输入的声音信号先通过某一程度的处理，才传送往数字信号处理器 （DSP） 或模拟数字转换器 （ADC）。
下面详细讨论自动增益控制电路的设计方法。在深入探讨之前，我们最好先了解电路每一环节的基本功能。每一个自动增益控制环路必须配备一个可以调节增益的装置如可变增益放大器 （VGA），让反馈环路可以抵销输出信号振幅与参考电压之间的误差，如图1所示。低通滤波功能用来减低环路的不稳定性，以便可以同时控制几个波形周期。部分音频系统可能设有不稳定的环路，因此这类音频系统的信号经由模拟/数字转换器数字化之前，其振幅必须先加以调节到合适的电平。
自动增益控制 （AGC）电路
典型的自动增益控制电路内含可变增益放大器以及执行积分及整流功能的反馈环路。但可变增益放大器并不普及，因此较难找到，而且成本比通用运算放大器高。但我们只要采用传统的运算放大器，便可配置一款压控放大器（VCA），取代可变增益放大器。
在图2所示的电路中，结型场效应晶体管（JFET）的漏极/源极电阻改变时，其漏极/门极电压及门极/源极电压也将随之改变，正相运算放大器的整体增益也会随着加以改变。R1及R2也属于反馈电阻。
压控放大器将输入信号放大后，需由另一检测电路监控输出信号。控制电路必须具备智能功能，以检测电压是已过度放大还是放大不足。以这个情况来说，通常需要装设内含整流器及积分器的负反馈控制环路。图2所示的IC3运算放大器虽然是记入/注销（log/antilog）放大器，但实际上与IC5运算放大器一同执行均方根至直流电（rms-to-dc）转换器的功能。输出信号的峰值电压必须经由整流器加以全波整流，以便将峰值电压转为其平均值。电阻R3 及 R4则用来设定整流器的增益。
与此同时，R3、R5及C2也提供时间常数，以便界定自动增益控制环路的采集时间及保持时间。此外，我们只要改变由R7及R8组成的分压器的电平，便可通过积分器的反相管脚将阈值电流设定在启动时的初始状态。若信号的均方根电流大于流入R6内的负电流，积分器就会调低IC5低噪音运算放大器的增益。若信号下降至阈值电流之下，运算放大器的增益便会随即上升。
自动增益控制功能可在广阔的动态范围内监测运算放大器的输出信号，并且可以根据信号振幅将最高及最低的信号限定在指定的范围内。以这个模拟测试为例来说，输出信号的峰值电压约为10mV～20mV。此外，由于自动增益控制的出击时间 （attack time） 属于重要的参数，因此为了确保我们能仔细调控性能，多花些时间及心思选择电容值是非常值得的。图3、图4是模拟测试的结果，测试时积分器内的C2分别采用不同的电容值（图3中C2=2μF，图4中C2=470nF）。
我们除了可以采用R7调节自动增益控制功能之外，如图5所示（R7=3kΩ），还可利用整流器内的R3及R4调控自动增益控制的输出电平。但信号输入电容器以及二极管的恢复时间都会影响输出信号的电平，将电平逐渐减弱，如图6所示（R4=20kΩ）。
基准测试数据
为了确保电路设计能够正常运作，我们当然不能完全信赖模拟测试的结果，我们至少也要亲自动手装配一块配备所有元件的印制电路板原型，以便检查所有基本的功能。图7、图8分别显示了在1kHz及20kHz的输入信号下 32Ω负载的输出波形和IC5整流器的输出波形。
图9～图12为采用1kHz及20kHz 输入信号进行基准及模拟测试时IC3整流器的输出波形比较图。
（文/程伟健）