CN107026626A - 一种自动增益控制电路和实现方法 - Google Patents

Abstract

一种结构简单的精准自动增益控制电路和实现方法，包括放大器A1和A2，一端共同连接的可变电阻对VR1、VR2和VR3，电阻控制单元CTRL1和CTRL2，峰值检测电路，过零检测电路，以及采样保持电路。A1的增益由以负反馈型式配置的VR1的阻值配置确定，其输出信号连接峰值检测电路以确定VR2另一端的电压变化。A2的两输入端分别连接在VR2和VR3之间，VR3的另一端连接直流参考电压。A2输出端向CTRL2提供变化的控制信号以调整VR3阻值变化并迫使其两输入端电压相等。采样保持电路周期性地对CTRL2的控制信号采样，并且周期性地保持向CTRL1提供该控制信号，用以调整VR1和VR2的阻值配置。

Description

一种自动增益控制电路和实现方法

技术领域

本发明专利涉及一种自动增益控制电路和实现方法。

技术背景

自动增益控制电路是一种根据输入信号幅度调节放大电路的增益并得到稳定的输出信号幅度的装置。自动增益控制电路在通信系统的接收机、语音传送设备、遥控器信号接收以及磁条读取等领域有着广泛的应用。例如，在磁条读取电路中，磁条产生的信号的幅度约在一毫伏（mV）到一百毫伏之间，所要求的自动增益控制电路输出信号的峰值稳定在几百毫伏至一伏（V）左右。

通常，自动增益控制电路主要包括放大电路、幅度检测电路和可变增益控制电路。幅度检测电路用于检测放大电路输出信号的幅度，然后反馈给可变增益控制电路，其根据输出信号峰值电压的大小来改变放大电路的增益，将输出信号稳定在某一个电压幅度上。因此，传统的自动增益控制电路通常是基于可变增益放大电路（VGA）、包络检波、乘法单元以及模数转换（ADC）电路来实现。所要求的电路较为复杂，控制过程周期较长，并且功耗较大。特别是为了提高自动增益控制电路的精度，通常需要采用更多位数的模数转换电路。当输入信号的频率和幅度变动较大时，传统的包络检测等方法由于反应时间太长而无法给出准确的结果，或者提高检测反应灵敏度但需要较高的成本。例如，在磁条读取电路中，输入信号的峰值和频率无法保持稳定。

发明内容

本发明提供一种结构简单但精度很高的自动增益控制电路和实现方法，其节省了乘法单元、包络检测电路和模数转换（ADC）电路，具有低功耗、低成本和高效率的特点。

一种自动增益控制电路，包括：放大器A1和A2，两电阻串联的可变电阻对VR1、VR2和VR3，电阻控制单元CTRL1和CTRL2，峰值检测电路，过零检测电路，以及采样保持电路。

放大器A1的一输入端连接输入信号Vin，另一输入端连接以负反馈型式配置的可变电阻对VR1的中间端，输出端连接峰值检测电路和过零检测电路。A1的增益由可变电阻对VR1的阻值配置确定。

可变电阻对VR1在放大器输入侧的一端与可变电阻对VR2及VR3各自的一端共同连接共模参考电压Vcm。可变电阻对VR2的另一端连接峰值检测电路，可变电阻对VR3的另一端连接直流参考电压Vref。电阻控制单元CTRL1同时连接并控制可变电阻对VR1和VR2分别作阻值变化并使得其阻值配置比值相等，电阻控制单元CTRL2连接并控制可变电阻对VR3的阻值变化。电阻控制单元CTRL2的控制信号与采样保持电路的采样输入端连接，采样保持电路的输出端连接电阻控制单元CTRL1。

放大器A2的一输入端连接可变电阻对VR2的中间端，另一输入端连接以负反馈型式配置的可变电阻对VR3的中间端，输出端连接电阻控制单元CTRL2。放大器A2的输出端向电阻控制单元CTRL2提供变化的控制信号，通过调整可变电阻对VR3的阻值变化以迫使放大器A2两输入端的电压相等。

过零检测电路向采样保持电路提供基于输入信号Vin极性检测的周期信号，用以控制采样保持电路进行采样的时间和保持信号的时间。

采样保持电路周期性地对电阻控制单元CTRL2的控制信号采样，并且周期性地保持向电阻控制单元CTRL1提供该控制信号，以使得可变电阻对VR1和VR2的阻值配置调整至与可变电阻对VR3的阻值配置维持一特定的比值，从而使得放大器A1输出信号Vout的幅度在采样保持电路保持信号的周期内与直流参考电压Vref保持在一确定的比值。

当某一周期的输入信号Vin幅度发生变化时，引起放大器A1负反馈输入端连接的可变电阻对VR1中间端的交流信号峰值电压和A1输出信号Vout的幅度相应变化。由于可变电阻对VR1和VR2的阻值配置比值相等，以致使放大器A2连接可变电阻对VR2的输入端的电压与Vin的峰值电压相等。A2将迫使可变电阻对VR3的阻值变化以匹配其两输入端的电压相等。电阻控制单元CTRL2调整可变电阻对VR3阻值变化的控制信号被采样保持电路采样，并且周期性地保持该控制信号，以迫使电阻控制单元CTRL1调整可变电阻对VR1和VR2各自的阻值变化，并配置至与VR3维持一特定的比值。由于可变电阻对VR1、VR2和VR3的一端共同连接共模参考电压Vcm，在采样保持电路保持信号的周期内，放大器A1以调整控制的增益放大输入信号Vin，使得放大器A1输出信号Vout的幅度与直流参考电压Vref维持一确定的比值。

在一优选实施例中，所述的可变电阻对中，一侧的电阻阻值固定不变，另一侧的电阻阻值由其相应的电阻控制单元控制作变化。

在一优选实施例中，所述可变电阻对VR1、VR2和VR3采用完全相同的配置。

在一优选实施例中，所述电阻控制单元CTRL1和CTRL2采用完全相同的配置。

在一优选实施例中，所述的可变电阻对中，一个或多个的可变电阻为互补结构的P型和N型MOS管的源极和漏极之间的导通电阻。通过在其源极施加固定电压Vcm，以选通的、高于Vcm的电压信号施加于NMOS管的栅极同时关断PMOS管，或者以选通的低于Vcm的电压信号施加于PMOS管的栅极同时关断NMOS管，来实现控制阻值作变化。

在一优选实施例中，所述放大器A2为误差信号放大器。

在一优选实施例中，所述放大器A1和A2采用相同的结构。

其中，所述峰值检测电路由正向峰值检测电路和负向峰值检测电路构成，并且所述直流参考电压由正向峰值直流参考电压VrefH和负向峰值直流参考电压VrefL构成。

附图说明

图1所示为本发明实施例1的自动增益控制电路原理结构示意图。

图2所述为本发明实施例2的自动增益控制电路原理结构示意图。

具体实施方式

实施例1，图1所示为一自动增益控制电路100的示意图，其表明本发明的原理。自动增益控制电路100包括：

两电阻串联的可变电阻对101、102和103，其一端共同连接共模参考电压Vcm，可变电阻对103的另一端连接直流参考电压Vref；

电阻控制单元111，同时连接并控制可变电阻对101和102分别作阻值变化并使得其阻值配置比值相等；电阻控制单元112，连接并控制可变电阻对103作阻值变化；

放大器A1，其一输入端连接以负反馈型式配置的可变电阻对101的中间端，A1用以放大输入信号Vin并且其增益由可变电阻对101的阻值配置确定；

放大器A2，其一输入端连接可变电阻对102的中间端，另一输入端连接以负反馈型式配置的可变电阻对103的中间端，输出端连接电阻控制单元112；

峰值检测电路120，其输入端连接放大器A1的输出端，输出端连接可变电阻对102的另一端；

采样保持电路140，其采样输入端连接电阻控制单元112的控制信号，输出端连接电阻控制单元111；

以及过零检测电路130，其输入端连接放大器A1的输出端，输出端连接采样保持电路140的控制端，过零检测电路130向采样保持电路140提供基于输入信号Vin极性检测的周期信号，用以控制采样保持电路140进行采样的时间和保持信号的时间。

输入信号Vin峰值电压的变化，引起放大器A1负反馈输入端连接的可变电阻对101中间端M的交流信号峰值电压和A1输出信号Vout的幅度作相应的变化。

峰值检测电路120检测出输出信号Vout峰值电压的变化。由于可变电阻对101和102的阻值配置比值相等，使得放大器A2连接可变电阻对102中间端N的输入端的电压与Vin的峰值电压相等。由于输出信号Vin的峰值电压很小，直接使用峰值检测电路检测Vin的峰值电压易受干扰而导致电压检测上的不准确性。

放大器A2的输出端向电阻控制单元112提供变化的控制信号，通过调整可变电阻对103的阻值变化以迫使放大器A2两输入端的电压相等。

采样保持电路140周期性地对电阻控制单元112的控制信号采样，并且周期性地保持向电阻控制单元111提供该控制信号，以使得可变电阻对101和102的阻值配置调整至与可变电阻对103的阻值配置维持一特定的比值，从而使得放大器A1输出信号Vout的幅度在采样保持电路140保持信号的周期内与直流参考电压Vref保持在一确定的比值。

实施例2，图2所示为一自动增益控制电路200的示意图。自动增益控制电路200在实施例1自动增益控制电路100的基础上：

包括选通器251~258，其均在过零检测电路130检测到正信号的周期内选通正向信号1，在过零检测电路130检测到负信号的周期内选通负向信号0；

峰值检测电路由正向峰值检测电路221和负向峰值检测电路222构成，并且直流参考电压由正向峰值直流参考电压VrefH和负向峰值直流参考电压VrefL构成；

所述放大器A1和A2采用相同的结构，放大器A2为误差信号放大器；

以及所述的两电阻并联的可变电阻对采用完全相同的配置，一侧的电阻R阻值固定不变，另一侧的可变电阻201、202和203为互补结构的P型和N型MOS管的源极和漏极之间的导通电阻；通过在所述可变电阻的源极连接共模参考电压Vcm，以选通的、高于Vcm的电压信号施加于NMOS管的栅极同时关断PMOS管，或者以选通的低于Vcm的电压信号施加于PMOS管的栅极同时关断NMOS管，来实现控制所述可变电阻的阻值作变化。

当输入信号Vin为正信号的周期内，选通器251选通其正向信号1所连接的正向峰值检测电路221的输出电压，使得误差信号放大器A2连接所述N点的输入端电压随着正向的输入信号Vin的幅度变化而变化；同时，选通器252选通其正向信号1所连接的正向直流参考电压VrefH。A2输出端连接的选通器253选通其正向信号1，并且与选通器253正向信号1所连接的选通器254选通其正向信号1，使得A2的输出电压施加于可变电阻203中NMOS管的栅极；同时，与选通器253负向信号0所连接的选通器255选通其正向信号1所连接的正电源电压VDD施加于可变电阻203中PMOS管的栅极以致使其关断。负反馈配置的误差信号放大器A2，通过调整可变电阻对203的阻值以迫使其连接所述P点的输入端的电压与另一输入端的电压相等。A2输出端连接的采样保持电路140周期性地对误差信号放大器A2的输出电压进行采样和周期性地进行数据保持，其采样和保持信号的时间由过零检测电路130输出的周期信号进行控制。采样保持电路140输出端连接的选通器256选通其正向信号1，并且与选通器256正向信号1所连接的选通器257选通其正向信号1，使得采样保持电路140的输出电压施加于可变电阻201和202中NMOS管的栅极；同时，与选通器256负向信号0所连接的选通器258选通其正向信号1所连接的VDD施加于可变电阻201和202中PMOS管的栅极以致使其关断。采样保持电路140保持信号的周期内，其输出电压同时调整可变电阻201和202的阻值与可变电阻203的阻值相等，从而使得放大器A1正向的输出信号Vout的幅度与直流参考电压VrefH保持相等。

类似的，当输入信号Vin为负信号的周期内，选通器251选通其负向信号0所连接的负向峰值检测电路222的输出电压，使得误差信号放大器A2连接N点的输入端电压随着负向的输入信号Vin的幅度变化而变化；同时，选通器252选通其负向信号0所连接的负向直流参考电压VrefL。选通器253~255选通其负向信号0，使得A2的输出电压施加于可变电阻203中PMOS管的栅极，同时负电源电压VSS施加于可变电阻203中NMOS管的栅极以致使其关断。同样地，误差信号放大器A2调整可变电阻对203的阻值以迫使其两输入端电压相等，采样保持电路140周期性地对A2的输出电压进行采样和周期性地进行数据保持。选通器256~258选通其负向信号0，使得采样保持电路140的输出电压施加于可变电阻201和202中PMOS管的栅极，同时VSS施加于可变电阻201和202中NMOS管的栅极以致使其关断，使得放大器A1负向的输出信号Vout的幅度在采样保持电路140保持信号的周期内与直流参考电压VrefL保持相等。

自动增益控制电路200根据输入信号Vin的幅度大小，自动调节输出信号Vout的幅度，使得输出信号Vout的正向和负向的振动幅度处于直流参考电压VrefH和VrefL之间。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，但本发明并未局限于此。应当指出的是，对于任何本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求书来限定。

Claims (9)

1.一种自动增益控制电路，其包括：第一和第二放大器，两电阻串联的第一、第二和第三可变电阻对，第一和第二电阻控制单元，一峰值检测电路，一过零检测电路，以及一采样保持电路；其特征在于，

所述第一放大器的一输入端连接输入信号，另一输入端连接以负反馈型式配置的所述第一可变电阻对的中间端，输出端连接所述的峰值检测电路和过零检测电路，所述第一放大器的增益由所述第一可变电阻对的阻值配置确定，

所述第一可变电阻对在放大器输入侧的一端与所述第二、第三可变电阻对各自的一端共同连接一共模参考电压，所述第二可变电阻对的另一端连接所述峰值检测电路，所述第三可变电阻对的另一端连接一直流参考电压，所述第一电阻控制单元同时连接并控制所述第一和第二可变电阻对分别作阻值变化并使得其阻值配置比值相等，所述第二电阻控制单元连接并控制所述第三可变电阻对的阻值变化，所述第二电阻控制单元的控制信号与所述采样保持电路的采样输入端连接，所述采样保持电路的输出端连接所述第一电阻控制单元，

所述第二放大器的一输入端连接所述第二可变电阻对的中间端，另一输入端连接以负反馈型式配置的所述第三可变电阻对的中间端，输出端连接所述第二电阻控制单元，所述第二放大器的输出端向所述第二电阻控制单元提供变化的控制信号，通过调整所述第三可变电阻对的阻值变化以迫使所述第二放大器两输入端的电压相等，

所述过零检测电路向所述采样保持电路提供基于所述输入信号极性检测的周期信号，用以控制所述采样保持电路进行采样的时间和保持信号的时间，

所述采样保持电路周期性地对所述第二电阻控制单元的控制信号采样，并且周期性地保持向所述第一电阻控制单元提供该控制信号，以使得所述第一和第二可变电阻对的阻值配置调整至与所述第三可变电阻对的阻值配置维持一特定的比值，从而使得所述第一放大器输出信号的幅度在所述采样保持电路保持信号的周期内与所述直流参考电压保持在一确定的比值。

2.根据权利要求1所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述的可变电阻对中，一侧的电阻阻值固定不变，另一侧的电阻阻值由其相应的所述电阻控制单元控制作变化。

3.根据权利要求1所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述第一、第二和第三可变电阻对采用完全相同的配置。

4.根据权利要求1所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述第一和第二电阻控制单元采用完全相同的配置。

5.根据权利要求1所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述的可变电阻对中，一个或多个的可变电阻为互补结构的P型和N型MOS管的源极和漏极之间的导通电阻，

通过在所述MOS管的源极施加一固定电压，以选通的、高于所述固定电压的电压信号施加于N型MOS管的栅极同时关断P型MOS管，

或者以选通的、低于所述固定电压的电压信号施加于P型MOS管的栅极同时关断N型MOS管，来实现控制阻值作变化。

6.根据权利要求1所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述第二放大器为误差信号放大器。

7.根据权利要求1所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述第一和第二放大器采用相同的结构。

8.根据权利要求1所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述峰值检测电路由正向峰值检测电路和负向峰值检测电路构成，并且所述直流参考电压由正向峰值直流参考电压和负向峰值直流参考电压构成。

9.一种自动增益控制方法，其实现电路包括：

两电阻串联的第一、第二和第三可变电阻对，其一端共同连接一共模参考电压，所述第三可变电阻对的另一端连接一直流参考电压，

第一电阻控制单元，同时连接并控制所述第一和第二可变电阻对分别作阻值变化并使得其阻值配置比值相等，

第二电阻控制单元，连接并控制所述第三可变电阻对作阻值变化，

第一放大器，其一输入端连接以负反馈型式配置的所述第一可变电阻对的中间端，所述第一放大器用以放大输入信号并且其增益由所述第一可变电阻对的阻值配置确定，

第二放大器，其一输入端连接所述第二可变电阻对的中间端，另一输入端连接以负反馈型式配置的所述第三可变电阻对的中间端，输出端连接所述第二电阻控制单元，

一峰值检测电路，其输入端连接所述第一放大器的输出端，输出端连接所述第二可变电阻对的另一端，

一采样保持电路，其采样输入端连接所述第二电阻控制单元的控制信号，输出端连接所述第一电阻控制单元，

以及一过零检测电路，其输入端连接所述第一放大器的输出端，输出端连接所述采样保持电路的控制端，所述过零检测电路向所述采样保持电路提供基于所述输入信号极性检测的周期信号，用以控制所述采样保持电路进行采样的时间和保持信号的时间；其特征在于，

所述输入信号峰值电压的变化，引起所述第一放大器负反馈输入端连接的所述第一可变电阻对中间端的交流信号峰值电压和所述第一放大器输出信号的幅度作相应的变化，

所述峰值检测电路检测出所述输出信号峰值电压的变化，使得所述第二放大器连接所述第二可变电阻对中间端的输入端的电压与所述输入信号峰值电压相等，

所述第二放大器的输出端向所述第二电阻控制单元提供变化的控制信号，通过调整所述第三可变电阻对的阻值变化以迫使所述第二放大器两输入端的电压相等，

所述采样保持电路周期性地对所述第二电阻控制单元的控制信号采样，并且周期性地保持向所述第一电阻控制单元提供该控制信号，以使得所述第一和第二可变电阻对的阻值配置调整至与所述第三可变电阻对的阻值配置维持一特定的比值，从而使得所述第一放大器输出信号的幅度在所述采样保持电路保持信号的周期内与所述直流参考电压保持在一确定的比值。