CN103762953B - 自动增益调节电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动增益调节电路，其包括可变增益放大电路、比较电压生成电路及信号检测电路，可变增益放大电路接收外部输入的语音信号并放大而输出放大后的语音信号，比较电压生成电路生成一个基准电压加载至信号检测电路，信号检测电路检测比较输出的语音信号的幅度与设定幅度的偏差，当可变增益放大电路输出的语音信号的幅度偏离设定幅度时，信号检测电路反馈一个变化的电压至可变增益放大电路，且可变增益放大电路依该变化的电压而调整其输出语音信号的幅度，以使可变增益放大电路输出的语音信号的幅度与设定幅度相同。本发明的自动增益调节电路接收外部输入的语音信号后，均能输出一个幅度与设定幅度相同的稳定的语音信号，提高了对接收到的语音信号的识别精度。

Description

自动增益调节电路

技术领域

本发明涉及语音识别领域，更具体地涉及一种自动增益调节电路。

背景技术

在利用语音识别芯片进行语音识别时，作为信号源的音源的位置离语音识别芯片的距离是变化不定的，而常用的语音识别系统是对输入的语音信号进行固定倍数的放大输出；这样对于采用固定放大倍数的语音识别系统就造成如下述问题：当音源的位置离语音识别系统很近时，由于语音识别芯片检测到的语音信号幅度很大，经过固定倍数的放大器后，就会造成输出语音信号的削波；但是，当音源的位置离语音识别系统很远时，由于语音信号的幅度随着距离的增加而成指数下降，使得固定放大倍数的放大器放大后的信号幅度仍然很小，从而难以达到设计要求。因此，以上两种情况都会严重的影响语音识别系统的识别精度。

因此，有必要提供一种改进的语音识别系统来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种自动增益调节电路，该电路对语音信号进行识别处理，且在一定幅度范围内的语音信号被本发明的自动增益调节电路接收后，均能输出一个幅度与设定幅度相同的稳定的语音信号，提高了对接收到的语音信号的识别精度。

本发明的目的是提供一种自动增益调节电路，用于调节语音信号的输出幅度，其包括可变增益放大电路、比较电压生成电路及信号检测电路，所述可变增益放大电路接收外部输入的语音信号并对输入的语音信号进行放大而输出放大后的语音信号，所述比较电压生成电路与所述信号检测电路连接，以生成一个基准电压加载至所述信号检测电路，且所述基准电压值根据输出语音信号的设定幅度而设定，所述信号检测电路与所述可变增益放大电路连接，所述信号检测电路检测所述可变增益放大电路输出的语音信号的幅度，并比较所述输出的语音信号的幅度与设定幅度的偏差，当所述可变增益放大电路输出的语音信号的幅度偏离设定幅度时，所述信号检测电路反馈一个变化的电压至所述可变增益放大电路，且所述可变增益放大电路依该变化的电压而调整其输出语音信号的幅度，以使所述可变增益放大电路输出的语音信号的幅度与设定幅度相同。

较佳地，所述可变增益放大电路包括放大器、反馈电阻、第一可调电阻子电路与第二可调电阻子电路，所述反馈电阻的两端分别与所述放大器的反向输入端及输出端连接，所述放大器的正向输入端接收外部语音信号，所述第一可调电阻子电路与所述放大器的反向输入端连接，所述第二可调电阻子电路与所述放大器的正向输入端连接，且外部共模电压分别输入所述第一可调电阻子电路与第二可调电阻子电路，所述第一可调电阻子电路与第二可调电阻子电路均与所述信号检测电路的输出端连接。

较佳地，所述第一可调电阻子电路包括第一场效应管及第一电阻，所述第一场效应管的源极及第一电阻的一端均与外部共模电压输出端连接，所述第一场效应管的漏极及第一电阻的另一端均与所述放大器的反向输入端连接，所述第一场效应管的栅极与所述信号检测电路的输出端连接。

较佳地，所述第一可调电阻子电路与第二可调电阻子电路具有完全相同的结构特征。

较佳地，所述第二可调电阻子电路的第一电阻的阻值等于所述第一可调电阻子电路的第一电阻与反馈电阻并联后的电阻值。

较佳地，所述信号检测电路包括第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第二电阻及电容，所述第二场效应管的栅极与所述可变增益放大电路的输出端连接，其源极与所述比较电压生成电路连接，所述第二场效应管的漏极与所述第三场效应管的漏极、栅极及第四场效应管的栅极共同连接，所述第三场效应管、第四场效应管及第五场效应管的源极均与外部电源连接，所述第四场效应管的漏极、第二电阻的一端、电容的一端及所述第六场效应管的栅极共同连接，所述第五场效应管的漏极与所述第六场效应管的漏极连接并形成所述信号检测电路的输出端，所述第六场效应管的源极、第五场效应管的栅极、所述第二电阻的另一端及所述电容的另一端均接地。

较佳地，所述比较电压生成电路包括第三电阻、第四电阻及电压跟随器，所述第三电阻一端与外部电源连接，另一端与所述第四电阻的一端及所述电压跟随器的正向输入端连接，所述第四电阻的另一端接地，所述电压跟随器的反向输入端与其输出端连接，且所述电压跟随器的输出端与所述信号检测电路连接。

与现有技术相比，本发明的自动增益调节电路，由于所述信号检测电路检测所述可变增益放大电路输出的语音信号的幅度，并比较所述输出的语音信号的幅度与设定幅度的偏差，当所述可变增益放大电路输出的语音信号的幅度偏离设定幅度时，所述信号检测电路反馈一个变化的电压至所述可变增益放大电路，且所述可变增益放大电路依该变化的电压而调整其输出语音信号的幅度，从而在一定幅度范围内的外部语音信号被本发明的自动增调节电路接收后，经过所述可变增益放大电路的放大及所述信号检测电路的控制调节后，均能在一段时间后输出一幅度与设定幅度相同的稳定的语音信号，提高了对语音信号的识别精度。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明。

附图说明

图1为本发明自动增益调节电路的电路结构图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种自动增益调节电路，该电路对语音信号进行识别处理，且在一定幅度范围内的语音信号被本发明的自动增益调节电路接收后，均能输出一个幅度与设定幅度相同的稳定的语音信号，提高了对接收到的语音信号的识别精度。

请参考图1，图1为本发明自动增益调节电路的电路结构图。本发明的自动增益调节电路用于调节其接收到的语音信号的输出幅度，且设定本发明自动增益调节电路稳定输出的语音信号的设定幅度为Vm。如图1所示，本发明的自动增益调节电路包括可变增益放大电路、比较电压生成电路及信号检测电路；所述可变增益放大电路接收外部输入的语音信号Vin并对该语音信号Vin放大而输出放大后的语音信号VOUT；所述比较电压生成电路与所述信号检测电路连接，以生成一个基准电压Vc加载至所述信号检测电路，且所述基准电压Vc的值根据输出语音信号的设定幅度Vm而设定；所述信号检测电路与所述可变增益放大电路连接，所述信号检测电路检测所述可变增益放大电路输出的语音信号VOUT的幅度，并比较所述输出的语音信号VOUT的幅度与设定幅度Vm的偏差，当所述可变增益放大电路输出的语音信号VOUT的幅度偏离设定幅度Vm时，所述信号检测电路反馈一个变化的电压Vg至所述可变增益放大电路，且所述可变增益放大电路依该变化的电压而调整其输出语音信号VOUT的幅度，以使所述可变增益放大电路输出的语音信号VOUT的幅度与设定幅度Vm相同。

具体地，所述可变增益放大电路包括放大器OP1、反馈电阻Rf、第一可调电阻子电路与第二可调电阻子电路；所述反馈电阻Rf的两端分别与所述放大器OP1的反向输入端及输出端连接，且所述放大器OP1的输出端即为所述可变增益放大电路的输出端，外部语音信号Vin输入所述放大器的正向输入端，所述第一可调电阻子电路与所述放大器的反向输入端连接，从而可通过调节所述第一可调电阻子电路的等效阻值与反馈电阻Rf的阻值即可调节所述放大器OP的增益倍数；所述第二可调电阻子电路与所述放大器的正向输入端连接，且外部共模电压Vcm分别输入所述第一可调电阻子电路与第二可调电阻子电路，所述第一可调电阻子电路与第二可调电阻子电路均与所述信号检测电路的输出端连接，即所述信号检测电路输出电压Vg至所述第一可调电阻子电路与第二可调电阻子电路；在本发明的优选实施方式中，所述第一可调电阻子电路包括第一场效应管MR1及第一电阻R1，所述第一场效应管MR1的源极及第一电阻R1的一端均与外部共模电压的输出端连接，以输出共模电压Vcm至所述第一可调电阻子电路，所述第一场效应管MR1的漏极及第一电阻R1的另一端均与所述放大器OP1的反向输入端连接，所述第一场效应管MR1的栅极与所述信号检测电路的输出端连接，所述信号检测电路输出电压Vg至所述第一场效应管MR1的栅极。且在本发明中，所述第一可调电阻子电路与第二可调电阻子电路具有完全相同的结构特征，所述第一可调电阻子电路包括第一场效应管MR1’及第一电阻R1’，且所述第二可调电阻子电路的第一电阻R1’的阻值等于所述第一可调电阻子电路的第一电阻R1与反馈电阻Rf并联后的电阻值，即R1’=R1//Rf，显而易见的，所述第二可调电阻子电路的结构并不影响所述放大器OP1的增益，通过设置R1’=R1//Rf，在此其可减少所述放大器OP1在工作过程中的失调，以使所述放大器OP1的输出更精准；所述第二可调电阻子电路其它结构特征及功能均与所述第一电阻可调子电路相同，在此不再赘述。

所述信号检测电路包括第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M4、第五场效应管M5、第六场效应管M6、第二电阻R2及电容C1；所述第二场效应管M2的栅极与所述可变增益放大电路的输出端（即所述放大器OP1的输出端）连接，其源极与所述比较电压生成电路连接，从而所述可变增益放大电路的输出信号VOUT的电压Vout通过所述第二场效应管M2输入所述信号检测电路；所述第二场效应管M2的漏极与所述第三场效应管M3的漏极、栅极及第四场效应管M4的栅极共同连接，所述第三场效应管M3、第四场效应管M4及第五场效应管M5的源极均与外部电源VDD连接，所述第四场效应管M4的漏极、第二电阻R2的一端、电容C1的一端及所述第六场效应管M6的栅极共同连接，所述第三场效应管M3与第四场效应管M4形成镜像电路，从而将流经所述第二场效应管M2的电流Ids2按比例镜像为流经所述第四场效应管M4的电流Ids4；所述第五场效应管M5的漏极与所述第六场效应管M6的漏极连接并形成所述信号检测电路的输出端，而输出电压Vg，且所述电压Vg的电压值将根据电压Vout值的变化而变化；所述第六场效应管M6的源极、第五场效应管M5的栅极、所述第二电阻R2的另一端及所述电容C1的另一端均接地。

所述比较电压生成电路包括第三电阻R3、第四电阻R4及电压跟随器OP2，所述第三电阻R3一端与外部电源VDD连接，另一端与所述第四电阻R4的一端及所述电压跟随器OP2的正向输入端连接，所述第四电阻R4的另一端接地，即所述第三电阻R3与第四电阻R4对电源电压VDD进行分压，而获得所述跟随器OP2的正向输入端的电压Vcomp；从而根据电路设计要求设定在电路稳定工作时输出语音信号的设定幅度Vm，并根据该设定幅度Vm，选择合适阻值的第三阻R3与第四电阻R4而使所述电压跟随器OP2的正向输入端的电压Vcomp可对应于输出语音信号的设定幅度Vm；所述电压跟随器OP2的反向输入端与其输出端连接，且所述电压跟随器OP2的输出端与所述信号检测电路连接，具体地与所述第二场效应管M2的源极连接，使得所述电压跟随器OP2输出的电压Vc可作为基准电压以供所述信号检测电路参考，且Vc=Vcomp，从而所述电压Vc对应于设定幅度Vm；另外，由本发明的自动增益调节电路的电路结构可知，当电路正常工作时，Vout＝V_gs2+V_c；而当本发明的电路处于稳定工作状态，即所述可变增益放大电路输出语音信号VOUT的幅度为设定幅度Vm时，Vout＝V_m＝V_gs2+V_c，（V_gs2为第二场效应管M2的栅源电压），并在电路设计中，使所述第二场效应管M2刚好工作在亚阈值态（如何使场效应管工作在亚阈值态为本领域技术人员所熟知，在此不再细述），从而在其导通时V_gs2≈V_th2（V_th2为第二场效应管M2的阈值电压）,则Vout＝V_m＝V_th2+V_c，从而可通过设定所述比较电压生成电路的输入电压Vcomp（也即Vc）的值，当输入的语音信号Vin在设定可调范围内时，可使所述输出语音信号VOUT的幅度经过一段时间的调整后与设定幅度Vm相同，以保证对输入语音信号的识别精度。

下面结合参考图1描述本发明自动增益调节电路的工作原理：

本发明的自动增益调节电路的可变增益放大电路，由于R1’=R1//Rf，从而保证了加载在放大器OP1正向反向输入端的阻抗相等，同时第一场效应管MR1、MR1’相同，另在本发明中两第一场效应管均工作在三极管区（即漏源电压小于过载电压），则所述可变增益放大电路输出语音信号VOUT的输出电压Vout为：

$V_{\mathrm{out}}=(\frac{R_f}{R_{\mathrm{ds}1}}+\frac{R_f}{R_1})\×V_{\mathrm{in}}---\left(1\right)$

其中Rds1为工作在三极管区第一场效应管MR1的等效电阻，其阻抗为

$R_{\mathrm{ds}1}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n{c}_{\mathrm{ox}}{\left(\frac{W}{L}\right)}_1(V_g-\mathrm{Vcm}-V_{\mathrm{th}1})}$ （2）

其中μ_n、c_ox及(W/L)₁分别为第一场效应管MR1的载流子迁移率、栅极氧化物单位面积电容量及宽长比。当工艺确定后，μ_n、c_ox、V_th1为相对恒定的量，因此只需改变电压Vg的大小即可改变第一场效应管MR1的等效电阻Rds1的阻抗值，而改变所述放大器OP1的增益倍数，进而调节所述输出语音信号VOUT的幅度；其中，当所述可变增益放大电路的输出语音信号VOUT幅度大于设定幅度Vm时，所述信号检测电路的输出电压Vg降低，第一可调电阻子电路的则等效阻抗Rds1变大，由（1）式可知，电压Vout降低，即输出语音信号VOUT幅度降低；另外，当输出语音信号VOU的幅度小于设定幅度Vm时，所述信号检测电路的输出电压Vg升高，则等效阻抗Rds1变小，由（1）式可知，电压Vout变大，即输出语音信号VOUT幅度变大；因此，本发明的自动增益调节电路可将其接收到的具有不同幅度的语音信号Vin，经过所述可变增益放大电路及信号检测电路一段时间的调节后，可输出一个电压及幅度均稳定在设定幅度范围内的语音信号，提高了对语音信号的识别精度。

下面结合参考图1描述本发明自动增益调节电路的工作过程：

自动增益调节电路是对一定范围内输入语音信号Vin经过自动增益处理，使其输出信号Vout幅度等于设定幅度Vm。但是当输入语音信号Vin幅度很小时，经过可变增益放大器后，输出语音信号VOUT的幅度也很小，使得电压Vout也很小，此时第二场效应管M2未开启，信号检测电路不工作，即当Vout＜V_cutoff+V_c（V_cutoff为第二场效应管M2的开启电压），信号检测电路不工作，也即不能调节输出语音信号VOUT的幅度到设定幅度Vm；当本发明的自动增益调节电路稳定工作时，也即输入语音信号经过自动增益调节电路后，输出语音信号VOUT的幅度为Vm，即Vout＝V_m＝V_th2+V_c（V_th2＞V_cutoff）。当输出语音信号幅度变化时，通过一段时间的信号检测电路检测反馈调节，使输出语音信号VOUT电压满足Vout＝V_th2+V_c，最终达到稳定工作状态。

自动增益调节电路工作时，当外部语音信号Vin经过可变增益放大器后，如果输出语音信号VOUT的幅度大于设定幅度Vm时，即Vout≥V_m＝V_th2+V_c，使得流经所述第二场效应管M2的电流Ids2变大，同时，流经所述第三场效应管M3的电流也为Ids2；所述第四场效应管M4按一定比例镜像所述第三场效应管M3的电流，使得流经所述第四场效应管M4的电流IDS3也随之变大，此时电流Ids4对电容C1充电，使得第六场效应管M6栅极电压升高，因为第五场效应管M5为PMOS管，且栅极始终连接地电压，第五场效应管M5一直处于导通状态，所以第六场效应管M6栅极电压升高使得输出电压Vg电压降低，由（1）（2）式可知Rds1变大，Vout减小，从而实现负反馈过程，从而使Vout最终趋于Vth2+Vc，如此，经过一段时间的调整后，可使得所述放大器OP1的输出端输出的语音信号VOUT的幅度回落至设定幅度Vm，使信号输出稳定。

同理，当外部语音信号Vin经过可变增益放大器后，如果输出语音信号VOUT的幅度小于设定幅度Vm时，即V_cutoff+V_c≤Vout≤V_m＝V_th2+V_c，使得流经所述第二场效应管M2的电流Ids2变小，同时，流经所述第三场效应管M3的电流也为Ids2；所述第四场效应管M4按一定比例镜像所述第三场效应管M3的电流，使得流经所述第四场效应管M4的电流Ids4也随之变小，此时电容C1通过所述第二电阻R2放电，使得第六场效应管M6栅极电压降低，因为第五场效应管M5为PMOS管，且栅极始终连接地电压，第五场效应管M5一直处于导通状态，所以第六场效应管M6栅极电压降低使得输出电压Vg电压升高，由（1）（2）式可知Rds1变小，Vout变大，从而实现负反馈过程，从而使Vout最终趋于Vth2+Vc；如此，经过一段时间的调整后，可使得所述放大器OP1的输出端输出的语音信号VOUT的幅度上升至设定的幅度Vm，使信号输出稳定。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (3)

1.一种自动增益调节电路，用于调节语音信号的输出幅度，其特征在于，包括可变增益放大电路、比较电压生成电路及信号检测电路，所述可变增益放大电路接收外部输入的语音信号并对输入的语音信号进行放大而输出放大后的语音信号，所述比较电压生成电路与所述信号检测电路连接，以生成一个基准电压加载至所述信号检测电路，且所述基准电压根据输出语音信号的设定幅度而设定，所述信号检测电路与所述可变增益放大电路连接，所述信号检测电路检测所述可变增益放大电路输出的语音信号的幅度，并比较所述输出的语音信号的幅度与设定幅度的偏差，当所述可变增益放大电路输出的语音信号的幅度偏离设定幅度时，所述信号检测电路反馈一个变化的电压至所述可变增益放大电路，且所述可变增益放大电路依该变化的电压而调整其输出语音信号的幅度，以使所述可变增益放大电路输出的语音信号的幅度与设定幅度相同；所述可变增益放大电路包括放大器、反馈电阻、第一可调电阻子电路与第二可调电阻子电路，所述反馈电阻的两端分别与所述放大器的反向输入端及输出端连接，所述放大器的正向输入端接收外部语音信号，所述第一可调电阻子电路与所述放大器的反向输入端连接，所述第二可调电阻子电路与所述放大器的正向输入端连接，且外部共模电压分别输入所述第一可调电阻子电路与第二可调电阻子电路，所述第一可调电阻子电路与第二可调电阻子电路均与所述信号检测电路的输出端连接；所述第一可调电阻子电路包括第一场效应管及第一电阻，所述第一场效应管的源极及第一电阻的一端均与外部共模电压输出端连接，所述第一场效应管的漏极及第一电阻的另一端均与所述放大器的反向输入端连接，所述第一场效应管的栅极与所述信号检测电路的输出端连接；所述信号检测电路包括第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第二电阻及电容，所述第二场效应管的栅极与所述可变增益放大电路的输出端连接，其源极与所述比较电压生成电路连接，所述第二场效应管的漏极与所述第三场效应管的漏极、栅极及第四场效应管的栅极共同连接，所述第三场效应管、第四场效应管及第五场效应管的源极均与外部电源连接，所述第四场效应管的漏极、第二电阻的一端、电容的一端及所述第六场效应管的栅极共同连接，所述第五场效应管的漏极与所述第六场效应管的漏极连接并形成所述信号检测电路的输出端，所述第六场效应管的源极、第五场效应管的栅极、所述第二电阻的另一端及所述电容的另一端均接地；所述比较电压生成电路包括第三电阻、第四电阻及电压跟随器，所述第三电阻一端与外部电源连接，另一端与所述第四电阻的一端及所述电压跟随器的正向输入端连接，所述第四电阻的另一端接地，所述电压跟随器的反向输入端与其输出端连接，且所述电压跟随器的输出端与所述信号检测电路连接。

2.如权利要求1所述的自动增益调节电路，其特征在于，所述第一可调电阻子电路与第二可调电阻子电路具有完全相同的结构特征。

3.如权利要求2所述的自动增益调节电路，其特征在于，所述第二可调电阻子电路的第一电阻的阻值等于所述第一可调电阻子电路的第一电阻与反馈电阻并联后的电阻值，且所述第一可调电阻子电路与第二可调电阻子电路的第一场效应管均工作在三极管区。