CN100581052C

CN100581052C - 具有自适应的爬升和衰减时间的自动增益控制系统

Info

Publication number: CN100581052C
Application number: CN200410056663A
Authority: CN
Inventors: 杨芳; 黄勍隆
Original assignee: Shenzhen STS Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen STS Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2004-08-13
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2024-08-13
Also published as: US7869549B2; US20060034400A1; CN1734933A

Abstract

一种增益控制方法，通过用可变增益放大器来放大输入信号以便产生输出信号，其中基于该可变增益放大器的控制输入端所呈现的控制信号来选择可变增益放大器的增益。当输出信号大于上边界时，增量地改变控制信号的幅度以致于以步进的线性方式来减少可变增益放大器的增益。当输出信号小于下边界时，增量地改变控制信号的幅度以致于以步进的线性方式增加可变增益放大器的增益。

Description

具有自适应的爬升和衰减时间的自动增益控制系统

技术领域

本发明一般涉及控制系统，并且，具体而言，涉及提供具有自适应的爬升(attack)和衰减(decay)时间的自动增益控制的电路、系统和方法。

背景技术

自动增益控制(AGC)电路是各种各样的模拟和数字系统中的普通部件。例如，当从盘表面上读取信号时，由读出头所产生的信号振幅可能变化显著并且受益于自动增益控制而在进一步处理信号之前对信号幅度进行缩放。在通信系统中，接收机、调谐器以及解调器通常需要接收信号的AGC处理以便解决在接收信道中的变化问题。AGC电路也用于防止模数变换器中的饱和。AGC电路的其他应用是已知的。AGC电路试图在某一信号输入变化的范围上保持相对恒定的输出信号振幅。这典型地是利用AGC对接收机的输出信号求平均并且产生反馈信号来实现的，所述的反馈信号在此称为AGC控制信号。耦合AGC控制信号以便控制可变增益放大器的增益。

AGC控制系统具有几个特征，所述特征限制了它们在不同应用中的使用。例如，AGC系统在其响应输入信号幅度的改变时具有特征延迟(characteristic delay)。这意味着在输入信号电平改变之后，AGC控制电压保持恒定达一个较短的时间，在此之后，AGC控制电压跟随该改变以便补偿该电平改变。当描述AGC系统对一个增加幅度的输入信号的响应时，这个延迟被称为“爬升时间”，而在描述AGC系统对一个减少幅度的输入信号的响应时，其被称为“衰减时间”。传统的AGC技术展示了不同或不对称的爬升和衰减时间。通常呈现出快的爬升和慢的衰减。

图1说明了与现有技术中的实际相一致的传统AGC电路100。在图1中，在可变增益放大器(VGA)101的输入上施加被标识为V_INP和V_INN的差分输入。VGA101产生一个放大的输出(V_OUT)，其中通过VGA101的控制节点上所存在的信号的幅度来确定放大的幅度。如图1所示，传统的AGC电路通过对电阻-电容器(RC)电路中的电容器111充电而产生一个AGC控制电压(V_AGC)。AGC控制电压耦合到可变增益放大器101的控制节点。在操作中，当输出电压大于预定参考电平时，电平检测器105被触发并且关闭开关107达一指定的持续时间。当开关107被关闭时，电流源113所提供的恒定电流对电容器111充电。通常，电容器111被实施为一个外部电容器，因为它要求一个相对大的电容，而这在实际中以集成方式是很难实现的。电容器111上的电压经由缓冲器109而耦合到VGA101的控制节点。

通过电容器111上的电压可被增加的速率来确定爬升时间。通过

ΔV = \frac{(I \cdot t)}{C} = \frac{I}{(fC)}

来描述每一充电周期中电容器上增加的阶跃电压(stepvoltage)，其中f是V_INP和V_INN的信号频率。这个等式说明了爬升时间直接依赖于信号频率。为了获得一个可接受的爬升时间，需要一个必须典型地在外部实施的大的电容。此外，输入信号频率越低，则所需要的电容器越大。

从图1中也可以看出电容器111上的电压仅在一个方向或指向上驱动。提供一个电阻器以便逐渐地和连续地消耗电流并且对电容器111进行放电。虽然这具有简单性的优点，但是流经电阻器的电流速率根据电容器两端之间的电压而持续地改变。另外，当经由开关107而施加电流时，一部分电流被电阻器所消耗掉。结果，V_AGC以非线性方式改变，从而使得精确控制更加困难。

鉴于以上的问题，很明显存在用于自动增益控制的改进的系统、方法以及电路的需求。

发明内容

简要地描述，本发明涉及一种通过用可变增益放大器来放大输入信号以便产生一个输出信号的增益控制方法，其中基于可变增益放大器的控制输入端所呈现的控制信号来选择可变增益放大器的增益。当输出信号大于上边界时，增量地改变控制信号的幅度以致于以步进的线性(step-wise linear)方式来减少可变增益放大器的增益。当输出信号小于下边界时，增量地改变控制信号的幅度以致于以步进的线性方式来增加可变增益放大器的增益。本发明也包括用于执行该方法的电路以及并入用于执行该方法的电路的系统。

附图说明

图1示出了一种现有技术的自动增益控制电路；

图2示出了根据本发明的一个自动增益控制电路；

图3示出了说明本发明的自动增益控制电路的定时发生器部件的操作的波形；

图4示出了说明本发明的自动增益控制电路的爬升时间响应的波形；

图5示出了说明本发明的自动增益控制电路的衰减时间响应的波形；

图6示出了在当与图4的实例相比时，处于交替频率上的、本发明的自动增益控制电路的爬升时间响应的波形；以及

图7示出了在当与图5的实例相比时，处于交替频率上的、本发明的自动增益控制电路的衰减时间响应的波形。

具体实施方式

根据自动增益控制的一个具体电路实施来说明和描述本发明。虽然本发明典型情况下将作为集成电路(IC)的一部分而被实施，但是设想本发明可以作为分立元件、作为独立的IC、或作为单片系统(SOC)或多片系统的一部分来实施。

图2说明了一个示范的实施，其中通过电荷泵201来产生AGC控制电压(V_AGC)，所述电荷泵由定时控制器203驱动。时钟发生器221产生一个与V_OUT信号的频率同步的时钟脉冲T1。电荷泵201通过施加脉冲T2对电容器211充电并且通过施加脉冲T3对电容器211放电。通常，电荷泵201的工作时间相对的短，所以与图1所示的电容器111相比，电容器211能够很小。这样便允许电容器211在一些实例中作为一个集成设备来实施。通过经由缓冲器109而施加的V_AGC信号来确定可变增益放大器101的瞬时增益。

电荷泵的特性是通过参考电压值V_REF1、V_REF2以及V_REF3来确定的。整流器217对V_OUT信号进行整流以便产生在说明中称为V_A的信号。在特殊的实例中，V_A耦合到比较器207和209的反相输入端，并且耦合到比较器205的非反相输入端。V_REF1耦合到比较器205的反相输入端，V_REF2耦合到比较器207的非反相输入端以及V_REF3耦合到比较器209的非反相输入端。V_A通过比较器205与V_REF1进行比较，通过比较器207与V_REF2进行比较以及通过比较器209与V_REF3进行比较。

当V_A处于V_REF1和V_REF3之间，输出电压V_OUT接近于期望值并且因此不需要增益调节。在这个状态中，电荷泵201不工作。定时控制器203产生信号T2和T3以致于将开关219和221保持在打开状态。因此，电容器211既不被充电也不被放电，并且V_AGC基本保持恒定。从而，AGC环路增益基本保持恒定。

当V_A达到由V_REF1和V_REF3所定义的“死区”之外的电平时，输出电压V_OUT偏离期望值并且因此需要增益调节。在该具体实例中，V_A增加为高于V_REF1则导致比较器205的输出从逻辑低转移到逻辑高，并且V_A减少为低于V_REF3将导致比较器209的输出从逻辑低转移到逻辑高。然后，使得定时控制器203能够产生关闭开关219或221的脉冲T2或T3。

在充电期间，通过可变电流源213来确定随每一脉冲T2而提供给电容器211的电流的幅度。在放电期间，通过可变电流源215来确定随每一脉冲T3而从电容器211中去除的电流的幅度。在该具体实例中，可变电流源213和215受比较器207的输出的控制。优选地，随着V_A和V_REF2之间的差值的幅度变大，电流源213、215被控制以致于提高电容器211被充电/放电的速率。如此，该电荷泵的干预(intervention)便与V_A和V_REF2之间的差值成比例。当V_A接近于V_REF2时，电荷泵电流很小并且V_AGC的变化(递增或递减)也很小。当V_A与V_REF2相差很大时，电荷泵电流很高并且V_AGC的增加量和减少量也很大。在具体实例中，当电荷泵201正在工作时，在T1的每一周期内，它将随T2的脉冲充电或随T3的脉冲放电两次。通过

Δ V_{AGC} = \frac{I \cdot t}{C}

来描述随T2/T3的每一脉冲而改变的V_AGC。

其中t是T2/T3脉冲宽度，I是电流源213/215的电流幅度，以及C是电容器211的值。与图1所示的现有电路不同，通过时钟发生器211和定时控制器203来固定操作时间或T2/T3脉冲的脉冲宽度。因此，每一脉冲将导致基本等同的V_AGC改变，而不管输入信号的频率如何。然而，T2/T3可以在很宽的速率和脉冲宽度的范围上脉动以满足特定应用的需要。脉冲宽度应足够的长以便使得电容器211充足地快速充电/放电，但同时，脉冲宽度应足够的短以便在每次T2/T3脉动时提供适当小的阶跃。较小的阶跃提供V_AGC的控制中较大的粒度。在一具体实例中，设置充电时间T2以接近于放电时间T3。结果，爬升时间基本上等于释放时间。

在图2的实施例中，提供基本上相等的爬升时间和衰减时间(也称为释放时间)。通过一特定实施而实现的被测量的爬升/衰减时间取决于输入幅度，因为该系统经历一个连续的控制动作，并且即使输入信号频率可变化，也能将电荷泵211的充电/放电时间调整到相同值。

回忆图1中的现有技术，当输入频率低时，每周期添加到电容器111的充电电流的量比在较高频率输入信号的每周期期间所添加的量要大的多。结果，为了达到V_AGC中足够小的电压增量，需要一个大的外部电容器以用于低频操作。根据本发明，由于能够使T2/T3的每一脉冲的脉冲宽度很短并且不依赖于输入信号频率，所以与图1中的电容器111相比，电容器211(图2所示)能够被做的相当小。

对于每一时钟存在两个T2/T3脉冲并且因此每一时钟脉冲在V_AGC的改变中存在两个增量阶跃的情况，对于V_AGC中给定的改变(也就是，V_AGC从V_AGC1改变到V_AGC2)，爬升时间(或衰减时间)能够通过下式来确定：

t_{attack} = t_{decay} = \frac{| V_{AGC 2} - V_{AGC 1} |}{2 Δ V_{AGC}} (Ts)

其中Ts是信号周期(也就是T2/T3的时段)。根据上述等式，很明显：对于给定的输入信号，能够使得衰减时间基本上等于爬升时间，因为通过输入信号振幅而非输入信号频率来确定电流。而且，本发明的电荷泵措施允许控制V_AGC中的增加速率和V_AGC中的减少速率。

上述等式也表明了爬升或衰减时间是信号周期的“n”倍，其中“n”是指示T2/T3脉冲数量的整数。换句话说，V_AGC以步进的线性方式而不是现有的技术方案来自然地增加或减少，在现有的技术方案中很难或不可能促使每一增量以一致的量来改变V_AGC。

图3示出了说明定时控制器203的操作的波形。图3所示的三个波形以水平轴线上所表示的时间来对准。垂直轴表示电压，在该轴上指示示范电压电平用于相对比较。图3说明了一种情况，其中如在时间点301所示，V_IN的幅度从大约2.5mV的峰到峰值增加到大约30mV的峰到峰值。电荷泵201运行以便快速和准确地改变VGA101的增益，以致于V_OUT经历很小的振幅变化。标有V_A的波形示出了被整流过的V_OUT，标有T1的波形被说明为一种叠加在V_A波形上的方波。能够看出，T2/T3脉冲与V_A波形同步。

在时间点301之后，V_A增加或减少幅度以致于其超出了由V_REF1和V_REF3所定义的窗口(window)之外。从而，电流源213或215被激活，并且定时控制器203开始产生T2或T3脉冲。是产生T2还是产生T3脉冲的确定是通过V_A是否大于指示需要减少增益的所期望值或通过V_A是否小于指示需要增加增益的所期望值来确定的。

大约在时间点302，定时控制器203开始在图3的下部波形所示的时刻302-313处产生T2或T3脉冲。在图3中，在T1时钟的下降沿上产生T2/T3脉冲，然而，可以使用每一时钟周期产生一个或多个T2/T3脉冲的任一方便的方案。图3说明了在V_IN将幅度增加到电源限制的削波点之后，V_A立刻增加幅度。然而，在几个周期中，随着VGA101的增益在时段时段302-313上逐渐减少，V_A也减少幅度。在时间点313之后，V_A已经减少到由V_REF1和V_REF3所设定的上限和下限内的点，在该时间处，定时控制器停止产生T2或T3脉冲。

图4示出了说明在“爬升”实例中具有1千赫V_IN频率的、根据本发明的一个自动增益控制电路的爬升时间响应的模拟波形，这里，与图3的实例一样，V_IN从大约2.5mV的峰值增加到大约30mV的峰值。在图4中，说明了V_OUT而不是V_A。在图4中说明所产生的V_AGC，演示了在该特定实施中，V_AGC如何以步进的线性方式来每时钟周期增加两个增量。每一增量彼此之间具有基本上相等的幅度，并且没有可辨别的非线性衰减或影响V_AGC电平的放电。一旦定时控制器203被去活，那么V_AGC保持在基本上稳定的电平上。

图5示出了说明在“释放”或“衰减”实例中、具有1千赫V_IN频率的、根据本发明的一个自动增益控制电路的衰减时间响应的波形，这里，V_IN从大约30mV的峰值减少到大约2.5mV的峰值。在图5中说明所产生的V_AGC，演示了在该特定实施中V_AGC如何以步进的线性方式来每时钟周期减少两个增量。每一增量彼此之间具有基本上相等的幅度，并且没有可辨别的非线性衰减或影响V_AGC电平的放电。一旦定时控制器203被去活，那么V_AGC保持在基本上稳定的电平上。值得注意的是，图5所示的减少V_AGC值的处理基本类似于图4所说明的增加V_AGC的处理。

图6和图7示出了说明在与图4和图5的实例相比的一个交替频率(10千赫)上、根据本发明的一个自动增益控制电路的爬升时间响应(图6)和衰减时间响应(图7)的模拟波形。就信号周期来说，很明显：响应时间基本上相等。值得注意的是，对于每一信号周期来说，V_AGC中的增量改变等同于在图4和图5的1千赫实例中所示的增量改变。在模拟实例中，相对频率来线性缩放总的爬升响应时间和总的衰减响应时间，因此，在10千赫的响应时间比用于1千赫信号的相应时间短到10倍。在很多情况中这对于现有技术的解决方案是优选的，其中V_AGC，且因此是增益响应会在较低信号频率处比其在较高输入频率处增加得更快。然而，因为对于每一T2/T3脉冲，在频率上V_AGC的改变是一致的，因此减少T2/T3脉冲的频率使得爬升/衰减响应时间在绝对的意义上基本相似(例如，通过向T2/T3脉冲发生电路添加一个除法器以至于对每10个信号周期仅产生一个T2/T3脉冲)是一件简单的事情。

虽然已经以一定程度的特殊性描述和说明了本发明，但是应当理解，该公开内容是仅通过示例而做出的，并且如下文中所要求的那样，本领域的技术人员能够采取在部件的组合和排列上的许多改变而不脱离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种增益控制的方法，包括：

用可变增益放大器来放大输入信号以便产生输出信号，其中基于该可变增益放大器的控制输入端所呈现的控制信号来选择该可变增益放大器的增益；

确定该输出信号何时具有在预定的上边界和下边界之外的幅度；

当输出信号大于上边界时，增量地改变控制信号的幅度以致于以步进的线性方式来减少可变增益放大器的增益；以及

当输出信号小于下边界时，增量地改变控制信号的幅度以致于以步进的线性方式来增加可变增益放大器的增益；

其中增量地改变控制信号的幅度的动作包括：

提供具有一幅度的电流源，所述幅度与输出信号和预选参考电压之间的差值成比例；以及

为多个时间增量而选择性地将电流源耦合到电容器，其中每一增量提供基本相等的电荷量给该电容器。

2.如权利要求1的方法，其中使用电荷泵来执行增量地改变该控制信号的幅度的动作。

3.如权利要求1的方法，其中能够改变该控制信号以致于以一速率来增加该增益，所述速率与能够改变控制信号以致于以减少增益所用的速率相同。

4.如权利要求1的方法，其中确定输出信号何时具有在预定的上边界和下边界之外的幅度的动作包括：整流该输出信号并且将被整流过的输出信号与至少一个预定电压进行比较。

5.如权利要求4的方法，其中被整流过的输出电压与至少三个预定电压进行比较，所述至少三个预定电压包括：表示最大振幅的第一预定电压，表示最小振幅的第二预定电压，以及表示目标振幅的第三预定电压。

6.一种实施权利要求1所述方法的集成电路。

7.一种实施权利要求2所述方法的集成电路，其中电荷泵包括一个集成在集成电路上的电容器。

8.一种实施权利要求1所述方法的芯片上的系统。

9.一种实施权利要求2所述方法的芯片上的系统，其中电荷泵包括一个集成在集成电路上的电容器。

10.一种自动增益控制电路，包括：

可变增益放大器，耦合到一个输入信号以便产生输出信号，其中基于该可变增益放大器的控制输入端所呈现的控制信号来选择该可变增益放大器的增益；

比较器，耦合到可变增益放大器的输出端，并且被操作以便确定输出信号何时具有在预定的上边界和下边界之外的幅度；

控制器，耦合到比较器，并且运行以便增量地改变控制信号的幅度以致于以步进的线性方式增量地改变该可变增益放大器的增益；

具有一幅度的电流源，所述幅度与输出信号和预选参考电压之间的差值成比例；以及

电容器，为多个时间增量而选择性地将电流源耦合到电容器，其中每一增量提供基本相等的电荷量给该电容器。