CN101820258A - 高精度可变增益放大器 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟信号处理和通信技术领域，具体公开了一种可变增益放大器系统结构。该结构的输入级有两个并行的固定增益放大器组成，当输入信号幅度较大时，固定低增益放大器正常工作，被选通，而固定高增益放大器断电，使得输入动态范围扩大；而当输入幅度较小时，固定高增益放大器正常工作，被选通，而固定低增益放大器断电，使得输入等效噪声减小。系统采用了三个不同的大步长的衰减器的组合，得到总体上步长较小的衰减器。避免了直接设计步长较小的衰减器因为电阻比太大而导致的误差。

Description

高精度可变增益放大器

技术领域

本发明属于模拟信号处理和通信技术领域，具体涉及无线收发器和声频/视频模拟信号处理电路中的可变增益放大器。

背景技术

可变增益放大器作为自动增益控制系统中的核心单元，广泛应用于各种电子系统，特别是在无线通信领域以及声频/视频模拟信号处理电路中，一个设计良好的可变增益放大器一般要求有大的输入动态范围、低噪声、高带宽、低功耗、大的增益变化范围、增益在dB上随控制电压呈线性关系以及各种增益情况下带宽的一致性。

要使得可变增益放大器在各种增益情况下带宽都相同，一般考虑是把增益级和衰减级分开，一个典型的连接形式如图1所示：固定增益放大器1作为输入级一方面提供精确的增益，另一方面很好地隔离了可变增益放大器前一级电路。固定增益放大器3作为输出级一方面提供精确的增益，另一方面可以驱动大的负载。为了得到较高精度的增益，两个固定增益放大器一般采用闭环结构，它们增益的分配也会影响系统的性能，如果固定增益放大器1的增益太高，那么输入动态范围则会很小；相反，如果固定增益放大器1的增益太低，那么等效输入噪声会相对较大。衰减器2可以是模拟电压控制的连续型衰减器，也可以是数字信号控制的离散型步进衰减器，需要根据具体的应用选择。其中步进衰减器的一般结构如图2所示。R1和R2的比值决定了衰减的步长，假设步长为m dB，那么R2/R1满足关系式：

$\frac{R2}{R1}=\frac{y+1}{y^2};$

其中， $y={10}^{\frac{m}{20}}-1.$

如果要使得步长为2dB，那么R2/R1＝18.8；如果使得步长为1dB，那么R2/R1＝75.4；如果使得步长为0.5dB，那么R2/R1＝301.7；如果要使得步长为0.2dB，那么R2/R1＝1886.0。随着步长的降低，两个电阻的比值成指数增长，这必然导致电阻比的精度降低，从而使得步长偏离预期设计的值。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种可变增益放大器的系统结构，以便能够很好地平衡输入动态范围和等效输入噪声之间的矛盾，并且得到较小的衰减步长。

本发明提出的一种高精度可变增益放大器系统结构，如图3所示。该系统由5个固定增益放大器和4个衰减器组成；其中，固定低增益放大器4和固定高增益放大器5并行，并且各自跟随一个衰减器6，组成系统的输入级；输入级后依次连接第三固定增益放大器7，第三衰减器8，第四固定增益放大器9，第四衰减器10，和第五固定增益放大器11；输入级和第三固定增益放大器7之间连接有开关12。

本发明中，输入级由并行的两个固定增益放大器组成，一个是固定低增益放大器4，另一个是固定高增益放大器5，它们各自接有一个衰减器6。开关12可以选择接通固定低增益放大器4或者接通高增益放大器5，当接通固定低增益放大器4时，固定高增益放大器5被关掉，而当接通固定高增益放大器5时，固定低增益放大器4被关掉，两者至多只有一个处于正常工作状态。固定增益放大器7，9的加入是为了隔离三个不同步长的衰减器6，8以及10，而最后的固定增益放大器11能够驱动较大的负载。

衰减器6为步长为x的衰减器，总共衰减为n步；衰减器8为步长为y的衰减器，衰减步数和衰减器6相同，也为n；则衰减器10为步长为z的衰减器，z满足关系式：

z＝|x-y|*(n-1)；

衰减器10的步数可以根据具体应用的要求而定。本发明系统采用了三个不同的大步长的衰减器的组合，得到总体上步长较小的衰减器。避免了直接设计步长较小的衰减器因为电阻比太大而导致的误差。

附图说明

图1是传统的可变增益放大器的系统结构。

图2为图1中衰减器(2)的其中一种离散的步进式结构。

图3给出了本发明提出的高精度可变增益放大器的系统结构。

图中标号：1为输入级的固定增益放大器；2为衰减器，3为作为输出级的固定增益放大器。4为固定低增益放大器，5为固定高增益放大器，6步长为x的衰减器，7，9以及11为固定增益放大器，8为步长为y的衰减器，10为步长为z的衰减器，12为二选一开关。

具体实施方式

图3给出了本发明提出了高精度可变增益放大器的系统框图。输入级由两个并行的固定增益放大器组成，其中一个是固定低增益放大器4，另一个是固定高增益放大器5，而且它们各自都接有一个衰减器6。当输入信号幅度较大时，固定低增益放大器4正常工作，并且被选通，而固定高增益放大器5断电，使得输入动态范围扩大；而当输入幅度较小时，固定高增益放大器5正常工作，并且被选通，而固定低增益放大器4断电，使得输入等效噪声减小。固定低增益放大器4和固定高增益放大器5的增益必须配合衰减器6的动态范围，使得系统总的衰减能够遍历所有需要的值。

在满足上述要求的前提下，衰减器6，8和10的位置可以互相调换，并不影响整体的性能。下面给出三个衰减器配合使用从而得出更小步长的一个实例，如下表格所示。为了得到步长为0.2dB的衰减，取衰减器6的步长x＝2，衰减器8的步长为y＝1.8，衰减器10的步长为z＝1，它们的步数分别为6，6，b。从表格中可以得知，系统已开始从-9dB衰减开始，而不是0dB，因此系统增益需要在原有指标上提高9个dB。衰减的范围为(-9～-10-b)dB，总共为5*b+6步，每一步为0.2dB。达到了设计要求，而且三个衰减器的步长都相对较大，最小的为1dB/步，要求的电阻比值为75.4，精度相对较高。

单位：dB	衰减器(6)的衰减值(x＝2)	衰减器(8)的衰减值(y＝1.8)	衰减器(10)的衰减值(z＝1)	系统总的衰减值
					1	-2*0	-1.8*5	-1*0	-9
2	-2*1	-1.8*4	-1*0	-9.2
					3	-2*2	-1.8*3	-1*0	-9.4
4	-2*3	-1.8*2	-1*0	-9.6
					5	-2*4	-1.8*1	-1*0	-9.8
6	-2*5	-1.8*0	-1*0	-10
					6	-2*0	-1.8*5	-1*1	-10
7	-2*1	-1.8*4	-1*1	-10.2
					8	-2*2	-1.8*3	-1*1	-10.4
9	-2*3	-1.8*2	-1*1	-10.6
					10	-2*4	-1.8*1	-1*1	-10.8
11	-2*5	-1.8*0	-1*1	-11
					…	…	…	…
5*b+1	-2*0	-1.8*5	-1*b	-9-b
					5*b+2	-2*1	-1.8*4	-1*b	-9.2-b
5*b+3	-2*2	-1.8*3	-1*b	-9.4-b
					5*b+4	-2*3	-1.8*2	-1*b	-9.6-b
5*b+5	-2*4	-1.8*1	-1*b	-9.8-b
					5*b+6	-2*5	-1.8*0	-1*b	-10-b

Claims (3)

1.一种可变增益放大器的系统结构，其特征在于：该系统由5个固定增益放大器和4个衰减器组成；其中，第一固定低增益放大器(4)和第二固定高增益放大器(5)并行，并且各自跟随一个衰减器(6)，组成系统的输入级；输入级后依次连接第三固定增益放大器(7)，第三衰减器(8)，第四固定增益放大器(9)，第四衰减器(10)，和第五固定增益放大器(11)；输入级和第三固定增益放大器(7)之间连接有开关(12)。

2.根据权利要求1所述的可变增益放大器的系统结构，其特征在于：固定低增益放大器(4)和固定高增益放大器(5)至多只有一个正常工作，另一个必须断电，固定低增益放大器(4)在输入信号幅度较大的时候被选通，而在输入信号幅度较小的时候，固定高增益放大器(5)被选通。

3.根据权利要求1所述的可变增益放大器的系统结构，其特征在于：系统的衰减步长s为衰减器(6)的步长x和第三衰减器(8)的步长y的差的绝对值；衰减器(6)和第三衰减器(8)衰减步数相同，假设为n，则第四衰减器(10)的衰减步长z满足：z＝|x-y|*(n-1)。

Images