CN108631739A - 可变增益放大电路及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变增益放大电路及其设计方法。所述方法包括：步骤A，放大电路整体硬件架构设计，包括电源模块设计，运算放大器模块设计，线性增益控制模块设计以及类倒T型电阻网络模块设计，所述线性增益控制模块对所述类倒T型电阻网络模块进行控制；步骤B类倒T型电阻网络的参数初始化计算；步骤C：类倒T型电阻网络进行线性拟合算法设计；步骤D：类倒T型电阻网络的参数优化设计；步骤E：通过仿真实验对该放大电路进行验证。本发明的有益效果是：可以实现精度为1dB的增益放大，且电路灵活易实现，特别适用于根据输入信号的大小提供合适的增益，从而避免损坏元器件的情况。

Description

可变增益放大电路及其设计方法

技术领域

本发明属于运算放大器硬件电路设计，可以实现放大电路输出增益的连续调节并且增益调节的精度较高。

背景技术

在人类的自然环境中，存在着各种各样的信息。信号作为信息的载体，起着重要的作用。比如，播音员播音时，话筒将声信号转换为电信号，然后经过电子系统中的放大、滤波等电路，驱动扬声器，从而复制出播音员的声音，为广大听众所收听。信号处理中，信号放大是最基本的模拟信号处理功能，可以通过放大电路实现，大多数模拟电子系统中都应用了不同类型的放大电路。检测外部物理信号的传感器所输出的电信号通常是很微弱的，话筒输出电压仅有毫伏量级，而细胞电生理实验中所检测到的电流甚至只有皮安量级。对这些微弱的信号，既无法直接显示，一般也很难作进一步分析处理。通常必须把它们放大到数百毫伏量级，才能用传统的指针式仪表显示出来。若对信号进行数字化处理，则须把信号放大到数伏量级才能被一般的模数转换器所接受。某些电子系统需要输出较大的功率，如家用音响系统往往需要把音频信号功率提高到数瓦或数十瓦。

针对不同的应用，需要设计不同的放大电路。当输入信号为弱信号时，信号处理系统需要有放大功能，保证输出信号的强度。最好是根据输入信号的大小提供合适的增益，从而避免损坏元器件。

基本的电压放大器可由运算放大器构成，其增益可由改变反馈电阻与输入电阻之间的比值确定。基于此可利用程控改变基本放大电路中的反馈电阻的大小来改变增益。最为直观的就是用模拟开关选择不同阻值的电阻，使相应的反馈电阻接入反馈网络，从而改变反馈电阻。模拟多路开关可由单片机控制选通，从而达到程控改变放大器增益的目的。该方案明显的缺点是增益的变化是非连续的，若要使各级增益细化，则需要多路模拟开关和庞大的电阻数量。使得电路复杂，控制麻烦，增益精度低。

本发明拟解决或改善上述公开的某些问题之一。

发明内容

在这里，我们列举了本发明的有些模块、功能、优点和创新性来概括本发明的主要目的。应了解，这些模块、功能、优点和创新性无需在某一特殊实施例中全部包括。

本发明的主要目的是，设计一种简单易实现的、增益精度较高且增益线性连续可调的数控增益放大电路。本方法设计步骤包括：电路整体架构设计、电路初始参数计算、线性拟合算法实现、参数优化设计以及仿真验证。

所述电路整体架构设计包括：电源模块设计、运算放大器模块设计、类倒T型电阻网络模块设计以及线性增益控制模块设计。所述电源模块与所述运算放大器模块块相连，所述运算放大器模块与所述电源模块、所述类倒T型电阻网络模块相连，所述类倒T型电阻网络模块与所述运算放大器模块、所述线性增益控制模块相连。电源模块用于给运算放大器模块提供稳定的工作电压。运算放大器模块根据类倒T型电阻网络的不同连接状态对输入信号实现不同的增益放大。类倒T型电阻网络通过线性增益控制模块的控制实现不同连接状态。线性增益控制模块用于控制类倒T型电阻网络的连接状态。根据所述类倒T型电阻网络使用开关类型不同，连接方式也有变化。若使用开关芯片，所述类倒T型电阻网络还需和电源模块相连。所述线性增益控制模块也需要采用单片机或者智能嵌入式芯片为核心部分，也需要和电源模块相连。

所述类倒T型电阻网络由若干阶反馈电路组成，每一阶反馈电路由一个模拟开关和两个大小一样的电阻组成。

所述电路初始参数设计包括：所述类倒T型电阻网络的电阻的初始参数分析与计算。

所述线性拟合算法设计包括：对初始参数实现的电路放大倍数与线性增益时的放大倍数相拟合，进行拟合算法设计。

所述参数优化设计包括：所述放大电路的参数根据放大倍数拟合算法的结果进行优化算法设计，确定电路中各电阻的值以及所述放大电路的线性增益控制模块状态确定。

正常倒T型电阻网络模块中，只有两种阻值的电阻，通过固定大小的电阻，每个支路分流按照一定比例分流。其中，最常见的倒T型电阻网络只有R和2R两种值，每个支路电流大小分别是1/2，1/4,…，1/2^n，通过对倒T型电阻网络进行仿真分析可以得出这种电路产生的增益大小不能实现增益的线性增加，下面通过具体数据进行说明。

若要实现增益范围在6dB以内的按照1dB精度增长的线性增益，则至少需要三阶倒T型电路，如图1所示。对三阶倒T型电路的仿真结果数据如下。

1.三阶倒T型电路，假设R1:R0＝1:1。仿真结果如下：

开关状态编码	0	1	2	3	4	5	6	7
									放大倍数	1.6	2	2	2.3	2.6	4	6	13
增益大小	4.2	6	6.1	7.4	8.3	12	15.6	22.3

将仿真结果绘制成图，如图2所示。根据表格中的数据可以发现，在开关状态大于4之后，增益增长的特别快。在开关状态小于4的时候，开关状态在2、3和4时，增益分别为6.1dB，7.4dB，8.3dB，增益精度接近1dB，可以实现增益范围在2dB范围内线性增长，很明显离我们的预期水平差距较大。

2.三阶倒T型电路，假设R1:R0＝1:2。仿真结果如下：

开关状态编码	0	1	2	3	4	5	6	7
									放大倍数	1.7	2.1	2.1	2.3	3.7	5.7	13	41
增益大小	4.8	6.4	6.3	7.2	11.5	15.1	22	32

将仿真结果绘制成图，如图3所示。根据表格中的数据可以发现，在开关状态大于4之后，增益增长的特别快。在开关状态小于4的时候，开关状态只有在2和3时，增益分别为6.3dB，7.2dB，增益精度接近1dB，离我们的预期水平差距更大。

3.三阶倒T型电路，假设R1:R0＝1:3。仿真结果如下：

开关状态编码	0	1	2	3	4	5	6	7
									放大倍数	1.8	2.1	2.1	2.2	4.8	7	22	89
增益大小	5.1	6.4	6.5	7	13.7	17	27	39

将仿真结果绘制成图，如图4所示。根据表格中的数据可以发现，在开关状态大于4之后，增益增长的特别快。在开关状态小于4的时候，开关状态在0，1和3时，增益分别为5.1dB，6.4dB和7dB，增益间距接近1dB，但是离1dB的精度误差较大，分别为1.3dB和0.6dB，离我们的预期水平差距较大。

根据以上分析，在R1:R0越来越小时，开关状态大于4之后，增益增长迅速，无法满足我们的需求。当开关状态小于4时，线性增益精度为1dB也是很难的，只有2个或者3个状态能满足我们的需求，所以这设计无法实现增益范围在6dB以内的按照1dB精度的线性增益。

下面分析R1:R0越来越大时的情况。

1.三阶倒T型电路，假设R1:R0＝2:1。仿真结果如下：

开关状态编码	0	1	2	3	4	5	6	7
									放大倍数	1.5	1.9	1.8	2.2	2	2.9	3.3	5.4
增益大小	3.5	5.4	5.2	6.9	5.9	9.1	10.3	14.7

将仿真结果绘制成图，如图5所示。根据表格中的数据可以发现，在开关状态小于4时，增益会出现震荡。其中，开关状态在2,4,3时，增益大小分别为5.2dB、5.9dB和6.9dB。增益精度接近1dB。但是并不是线性增加。开关状态在4到5时，增益也出现了较大增幅。离我们的预期水平差距较大。

2.三阶倒T型电路，假设R1:R0＝3:1。仿真结果如下：

开关状态编码	0	1	2	3	4	5	6	7
									放大倍数	1.4	1.7	1.7	2.1	1.7	2.4	2.5	3.6
增益大小	3.1	4.8	4.6	6.3	4.7	7.4	7.9	11.2

将仿真结果绘制成图，如图6所示。根据表格中的数据可以发现，在开关状态小于4时，增益会出现震荡。其中，开关状态在1，3，5时，增益大小分别为4.8dB、6.3dB和7.4dB。增益精度接近1dB，但是4.8和6.3差了1.5dB，误差太大。

根据以上分析，在R1:R0越来越大时，开关状态小于4时，增益会出现震荡，开关状态在4到5时，增益的增幅也很明显。所以无法满足我们的需求。

根据以上分析结果，三阶倒T型网络无法实现增益范围在6dB以内的按照1dB精度增长的线性增益。既然三阶倒T型网络无法实现，我们下面通过四阶倒T型电路进行分析，四阶倒T型电阻网络如图7所示。

1.假设R1:R0＝1:1,通过仿真可以得到下表：

开关状态编码	0	1	2	3	4	5	6	7
									放大倍数	1.6	2	1.97	2.2	2	2.5	2.3	2.5
增益大小	4.2	6	5.9	6.9	6.1	7.8	7.1	8
									开关状态编码	8	9	10	11	12	13	14	15
放大倍数	2.6	3.8	4	5	6.2	10	15.5	34.1
									增益大小	8.4	11.5	12.7	14	15.9	20	23.8	30.6

选取增益大小在4dB-9dB之间的数据，绘制成图8。图中一条振荡的曲线为此电路产生的增益大小，另一条曲线为线性增益的曲线图，可以看出此电路产生的增益大小和本发明所需求的线性增益还存在很大的出入。

2.假设R1:R0＝1:2时，通过仿真可以得到下表：

开关状态编码	0	1	2	3	4	5	6	7
									放大倍数	1.7	2.08	2.06	2.2	2.1	2.5	2.2	2.4
增益大小	4.8	6.4	6.3	6.8	6.4	7.8	7	7.4
									开关状态编码	8	9	10	11	12	13	14	15
放大倍数	3.8	5.2	5.6	6.5	13.7	20.6	48	146
									增益大小	11.5	14.3	15	16.3	22.7	26.3	33.6	43

选取增益在5dB-10dB之间的数据，绘制成图9。同上述分析一样，可以看出此电路产生的增益大小和本发明所需求的线性增益还存在很大的出入。

3.假设R1:R0＝1:3时，通过仿真可以得到下表：

选取增益在5dB-10dB之间的数据，绘制成图10。同上述分析一样，可以看出此电路产生的增益大小和本发明所需求的线性增益还存在很大的出入。

4.假设R1:R0＝1:3时，通过仿真可以得到下表：

开关状态编码	0	1	2	3	4	5	6	7
									放大倍数	1.8	2.1	2.08	2.15	2.11	2.4	2.2	2.2
增益大小	5.3	6.4	6.37	6.6	6.5	7.5	6.7	6.9
									开关状态编码	8	9	10	11	12	13	14	15
放大倍数	5.9	7.8	8	9	33	47	177	380
									增益大小	15	17.5	18	19	30	33	45	52

选取增益在5dB-10dB之间的数据，做出图11。同上述分析一样，可以看出此电路产生的增益大小和本发明所需求的线性增益还存在很大的出入。

通过以上电路分析，在R0越来越大于R1时，可以发现在开关状态较小时，增益大小越来越接近，当开关状态较大时，增益大小会变得增加的很快。

5.假设R1:R0＝2:1时，通过仿真可以得到下表：

开关状态编码	0	1	2	3	4	5	6	7
									放大倍数	1.5	1.9	1.8	2.1	1.84	2.3	2.2	2.5
增益大小	3.6	5.5	5.3	6.6	5.3	7.2	6.8	8.1
									开关状态编码	8	9	10	11	12	13	14	15
放大倍数	2	2.8	2.9	6.8	3.5	5.3	6.3	10.7
									增益大小	6	9	9.3	11.6	10.8	14.5	16	20.6

选取增益在4dB-10dB之间的数据，做出图12。可以看出此电路产生的增益大小和本发明所需求的线性增益还存在很大的出入。

6.假设R1:R0＝3:1时，通过仿真可以得到下表：

开关状态编码	0	1	2	3	4	5	6	7
									放大倍数	1.4	1.8	1.7	2	1.7	2.1	2.05	2.45
增益大小	3.2	5	4.8	6.2	4.7	6.6	6.3	7.8
									开关状态编码	8	9	10	11	12	13	14	15
放大倍数	1.8	2.4	2.43	3.2	2.6	3.9	4.1	6.3
									增益大小	4.9	7.6	7.7	10	8.4	11.7	12	16

选取增益在4dB-10dB之间的数据，做出图13。可以看出此电路产生的增益大小和本发明所需求的线性增益还存在很大的出入。

7.假设R1:R0＝4:1时，通过仿真可以得到下表：

开关状态编码	0	1	2	3	4	5	6	7
									放大倍数	1.4	1.7	1.66	1.95	1.6	2	1.94	2.3
增益大小	2.9	4.6	4.4	5.8	4.3	6.1	5.8	7.3
									开关状态编码	8	9	10	11	12	13	14	15
放大倍数	1.6	2.2	2.16	2.8	2.2	3	3.2	4.6
									增益大小	4.2	6.7	6.68	8.8	7	9.8	10	13

选取增益在4dB-10dB之间的数据，做出图14。可以看出此电路产生的增益大小和本发明所需求的线性增益还存在很大的出入。

通过以上电路分析，在R1越来越大于R0时，可以发现在开关状态较小时，增益大小振荡的越厉害，当开关状态较大时，增益大小会变得增加的很快。也不能满足本发明的需求。

无论是三阶倒T型网络还是四阶倒T型网络都很难实现增益在一定范围的精度较高的线性增益。所以我们在倒T型网络的基础上对电阻的大小进行修正，通过线性拟合算法，以及对模拟开关的控制，实现增益大小线性增加。

本发明的电路特征在于，通过设计一种放大电路，以及电路参数的初始化计算，实现运放的放大倍数按照一定函数关系增长，并将此函数关系与增益连续调节时放大倍数的函数关系进行拟合，最后通过设计电路参数优化算法，确定电路中各电阻阻值，从而实现设计要求，并进行仿真测试。本发明的有益效果是：可以实现精度为1dB可编程增益放大，特别适用于根据输入信号的大小提供合适的增益，从而避免损坏元器件的情况。

本发明的优点在于：

1.增益可连续，精度较高。很多放大器倍数可调的设计其增益是非连续的，本发明设计了一种有关运放放大倍数的算法，通过该算法可以实现增益的连续调节。

2.电路简单易实现，很多设计中为了使各级增益细化，需要添加大量电阻。本发明中每个反馈电阻都有两个选择，可以接入不同的反馈网络从而实现放大倍数按照一定规律增长。减少了传统方法需要使用大量不同阻值电阻的缺点。

3.本发明可以实现精度为1dB的增益放大，且电路灵活易实现，特别适用于根据输入信号的大小提供合适的增益，从而避免损坏元器件的情况。

4.通过本发明电路可以实现运算放大器放大增益的连续调节，达到线性控制放大器增益的目的。并且增益的精度较高，电路简单易实现。

附图说明

图1是三阶电路倒T型电阻网络。

图2是三阶倒T型网络阻值比值为1:1时开关状态与增益大小图。

图3是三阶倒T型网络阻值比值为1:2时开关状态与增益大小图。

图4是三阶倒T型网络阻值比值为1:3时开关状态与增益大小图。

图5是三阶倒T型网络阻值比值为2:1时开关状态与增益大小图。

图6是三阶倒T型网络阻值比值为3:1时开关状态与增益大小图。

图7是四阶电路倒T型电阻网络。

图8是四阶倒T型网络阻值比值为1:1时开关状态与增益大小图。

图9是四阶倒T型网络阻值比值为1:2时开关状态与增益大小图。

图10是四阶倒T型网络阻值比值为1:3时开关状态与增益大小图。

图11是四阶倒T型网络阻值比值为1:4时开关状态与增益大小图。

图12是四阶倒T型网络阻值比值为2:1时开关状态与增益大小图。

图13是四阶倒T型网络阻值比值为3:1时开关状态与增益大小图。

图14是四阶倒T型网络阻值比值为4:1时开关状态与增益大小图。

图15是本发明实施例中具体框架图。

图16是本发明n阶类倒T型电阻网络。

图17是本发明三阶放大电路的电路图。

图18是本发明三阶放大电路开关全部打在左边时的电路图。

图19是本发明三阶放大电路开关全部打在右边时的电路图。

图20是本发明三阶放大电路开关状态和增益关系图。

图21是本发明三阶放大电路开关状态和增益关系以及线性增益对比图。

图22是本发明四阶放大电路的电路图。

图23是本发明四阶放大电路开关状态和增益关系图。

图24是本发明四阶放大电路开关状态和增益关系以及线性增益对比图。

具体实施方式

本发明设计实现精度为1dB的可编程增益放大电路，包括电路整体架构设计；电路初始参数设计；线性拟合算法设计和参数优化设计。

本发明系统框架如图15所示，系统包括电源模块、运算放大器模块、类倒T型电阻网络模块和线性增益控制模块四个部分。

所述电源模块用于给运算放大器模块提供稳定的工作电压。电源大小根据使用的芯片所需电源要求设计，可以采用低压差线性稳压器或者是开关电源。电源设计要保证输出电压稳定，噪声小，电磁干扰小，以免对信号的处理产生干扰。

所述运算放大器模块根据类倒T型电阻网络的不同连接状态对输入信号实现不同的增益放大。运算放大器模块选择时需要考虑具有较低的噪声系数和较大的压摆率和增益带宽，如果有成本要求，还应该考虑成本选择合适的运算放大器芯片。

所述类倒T型电阻网络模块由若干阶反馈电路组成，n阶类倒T型电阻网络如图16所示。由n个开关以及3n+1个电阻以及适当的滤波电容构成。根据本发明所设计的算法通过线性增益控制模块对反馈电路中开关状态进行控制，从而实现放大器增益的调节。

所述线性增益控制模块用于用于控制类倒T型电阻网络的连接状态，根据倒T型电阻网络中的开关类型，线性增益控制模块实现也有所不同。如果选择模拟开关，则需要选择单片机或者只能嵌入式芯片，用于对模拟开关进行控制。如果是普通的单刀双掷开关，则需要使用手控。通过控制模拟开关的选通，从而实现增益的连续调节。

下面通过具体实施例进一步说明本发明的实施。为了描述本发明的通用性，这里对关键电路列举了两个实施例。

实施例一

所述运算放大电路，可以实现增益10dB-13dB之间按精度1dB增加，具体实施方法如下：

1)主电路结构设计：由设计指标10dB-13dB之间按精度1dB增加，可知类倒T型电阻网络必须至少有4种连接状态，即2阶反馈电路才可实现，实际上2阶反馈电路不可能实现所要求的设计指标，因此本设计选择用3阶反馈电路，一共8种连接状态，在8种状态中选择4个符合本发明需求的情况即可。所述3阶类倒T型电阻网络如图17所示，由3个开关、10个电阻和2个电容组成整个反馈网络。我们把开关打到左边记为0，打到右边记为1，一共3个开关，开关状态可以记为从000一直到111。

2)电路初始参数设计：通过对图17所示电路分析可知，当开关全部开在左边时，电路可以简化为图18所示电路，此时电路放大倍数最小，记为Amin，这时增益最小。当开关全部打在右边时，电路可以简化为图19所示，此时电路放大倍数最大，记为Amax，这时增益为最大。当最右侧开关打在右边，其余开关打在左边时，电路放大倍数记为Amid。根据电路分析可以推导出Amin、Amid和Amax的表达式如下：

本步骤因为是初始参数设计，所以对于各电阻大小的值没有硬性要求，这里只需满足放大倍数为Amin时，增益为10dB，即Amin为3.16。然后Amid这里可以选取增益为10dB-13dB的中间值，考虑到开关打在右边后放大倍数会增长较快，这里选取放大倍数为Amid时，增益为12dB，即Amid为3.98。R0的初始值可根据电路任选，由Amin和Amid表达式可以算出R6的值的大小。其余电阻大小会在后面的优化算法做进一步的调整，此处可以根据上述公式的约束任选即可。

3)放大电路拟合算法设计：根据设计要求，放大增益按照1dB精度增加时，电压放大倍数根据公式：An＝(1.122^n)*Amin(其中An为电压放大倍数，n的取值当增益为10dB时取0，当增益为11db时取1，依次类推当增益为13db时取3)应该按照等比数列增长，根据该公式可以得到放大增益按1db增加时电压放大倍数的理想曲线。

我们将步骤二得到的电路初始参数带入电路，经过仿真可以将得到初始参数下的实际放大倍数曲线。将得到的实际放大倍数曲线与等比数列的理想放大倍数曲线相拟合后，可得到实际电路开关状态与放大增益的关系应满足下表关系。

。

4)电路参数优化设计：根据步骤三所列表格关系，我们可以得出开关状态在010和101时，按照初始参数计算的实际增益与要求增益存在误差，不满足我们的设计精度需求，因此需要对电路除R0和R6以外的参数进行优化以满则设计精度需求。

当要求增益为11dB时，电路的电压放大倍数为应3.55倍，由电路分析可得出开关状态为010时，根据电压的放大倍数表达式和要求的放大倍数可得出如下等式：

同样当要求增益为13dB时，电路的电压放大倍数应为4.47倍，由电路分析可得出开关状态为101时，根据电压的放大倍数表达式和要求的放大倍数可得出如下等式：

其中，Ru＝R1*R2+R1*R3+R2*R3。

综上通过公式(1-1)，(1-2)，(1-4)以及(1-5)，对除R0和R6以外的电阻进行迭代计算，可得出其余各电阻的阻值，我们设定R0值为620欧，其余电阻值根据上述等式计算得出，分别为R1为1.8K欧，R2为11K欧，R3为430欧，R4为7.15K欧，R5为330欧，R6为4.7K欧。

5)仿真验证：我们对步骤四得出的电路参数用Cadence软件进行PSpice仿真验证，绘制成图表得出如图20所示的开关状态与增益大小之间的关系。选取增益大小在10dB-13dB之间的数据，可以得到图21，可以发现本发明增益大小与所需的线性增益大小基本一致。通过上述放大电路，可以实现10dB-13dB的可编程增益放大，增益精度为1dB。

实施例二

所述运算放大电路，可以实现增益10dB-15dB之间按精度1dB增加，具体实施方法如下：

1)主电路结构设计：由设计指标10dB-15dB之间按精度1dB增加，可知类倒T型电阻网络必须至少有6种连接状态，即3阶反馈电路才可实现。本设计选择用4阶反馈电路，一共16种连接状态，在16种状态中选择6个符合本发明需求的情况即可。所述4阶类倒T型电阻网络如图22所示，由4个开关、13个电阻和2个电容组成构成了整个反馈网络。同样把开关打到左边记为0，打到右边记为1，一共4个开关，开关状态可以记为从0000一直到1111。

2)电路初始参数设计：通过对图22所示电路分析可知，当开关全部开在左边时，电路放大倍数最小，记为Amin，这时增益最小。当开关全部打在右边时，电路放大倍数最大，记为Amax，这时增益为最大。当只有开关K4打在右边，剩余三个开关打在左边时，放大倍数记为Amid，可以列出如下公式：

与三阶放大电路方法相同，这里只需满足放大倍数为Amin时，增益为10dB，即Amin为3.16。然后Amid这里可以选取增益为10dB-15dB的中间值，考虑到开关打在右边后放大倍数会增长较快，这里选取放大倍数为Amid时，增益为13dB，即Amid为4.47。R0的初始值可根据电路任选，由Amin和Amid表达式可以算出R8的值的大小。其余电阻大小会在后面的优化算法做进一步的调整，此处可以根据上述公式的约束任选即可。。

3)放大电路拟合算法设计：根据设计要求，放大增益按照1dB精度增加时，电压放大倍数应该按照等比数列增长。这里同实施例1一样。将步骤二得到的初始参数带入电路，经过仿真可以得到初始参数下的实际放大倍数曲线。将得到的实际放大倍数曲线与等比数列理想放大倍数曲线相拟合后，可得到实际电路开关状态与放大增益的关系应满足下表关系。

开关状态	0000	0011	0101	1000	1010	1011
							增益大小	10dB	11dB	12dB	13dB	14dB	15dB

4)电路参数优化设计：根据步骤三所列表格关系，同实施例1一样进行分析。需要对电路除RO和R8意以外的参数进行优化设计以满足设计精度需求。

当要求增益为14dB时，电路的电压放大倍数应为5.01，由电路分析可得出开光状态为1010，根据电压的放大倍数表达式和要求的放大倍数可得出如下等式：

同样要求增益为15dB时，电路的电压放大倍数为5.62倍，由电路分析可得出开关状态为1011，根据电压的放大倍数表达式和要求的放大倍数可得出如下等式：

当增益为11dB以及12dB时，这里就不列出具体公式，通过下面两个函数关系式来表示。

f₀₀₁₁{R0,R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8}＝3.55 (1-11)

f₀₁₀₁{R0,R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8}＝3.98 (1-12)

其中，Ru＝R4*R5+R4*(R1//R2+R3)+R5*(R1//R2+R3),RF＝R1*R2+R1*R3+R2*R3,RF1＝RF/R1,RF2＝RF/R2,RF3＝RF/R3,RS＝RF2*(RF1//R4)+RF2*(RF3//R0)+(RF1//R4)*(RF3//R0),根据公式(1-6)，(1-7)，(1-9)，(1-10)，(1-11)以及(1-12)，对除R0和R8以外的电阻进行迭代计算，可得出其余各电阻的阻值。我们设定R0为470欧，R1为1.8K欧，R2为10K欧，R3为270欧，R4为7.5K欧，R5为2700欧，R6为3.6K欧，R7为470欧，R8为2.7K，满足本发明的要求。

5)仿真验证：本发明设计电路通过Cadence软件进行PSpice仿真验证，将得出的结果绘制成图表，具体开关状态与增益大小之间的关系如图23所示。选取增益大小在10dB-15dB之间的数据，可以得到图24，可以发现本发明增益大小与所需的线性增益大小基本一致。通过上述放大电路，可以实现10dB-15dB的可编程增益放大，增益精度为1dB。

本设计设计了三阶电路三个开关的4种情况以及四阶电路四个开关的6种情况，实际可以根据需求适当增加开关数量，从而实现在更大的范围内，使增益可以按照1dB的精度增加。

需要指出，本说明书中的描述仅用于说明性的目的，而不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围仅取决于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种可变增益放大电路，包括电源模块、运算放大器模块，其特征在于还包括：类倒T型电阻网络模块和线性增益控制模块；

所述电源模块与运算放大器模块相连，所述电源模块用于给运算放大器模块提供稳定的工作电压；

所述运算放大器模块与类倒T型电阻网络模块以及电源模块相连，所述运算放大器模块根据类倒T型电阻网络的不同连接状态对输入信号实现不同的增益放大，所述运算放大器模块包含三个端口，分别为放大电路输入端口、放大电路输出端口和放大电路反馈端口；

所述类倒T型电阻网络模块与运算放大器模块以及线性增益控制模块相连，所述类倒T型电阻网络模块通过线性增益控制模块的控制实现不同连接状态；

所述线性增益控制模块与类倒T型电阻网络模块相连，所述线性增益控制模块用于控制类倒T型电阻网络的连接状态。

2.如权利要求1所述的可变增益放大电路，其特征在于：

所述类倒T型电阻网络模块由若干阶反馈电路组成，一端连接到所述放大电路输出端口，另一端连接到所述放大电路反馈端口。

3.如权利要求2所述的可变增益放大电路，其特征在于：

所述反馈电路，每一阶反馈电路包括一个模拟开关和两个阻值大小一样的电阻，其中所述模拟开关状态由线性增益控制模块控制，用于确定每一阶反馈电路的内部连接状态。

4.如权利要求2所述的可变增益放大电路，其特征在于：

所述反馈电路中同阶反馈电路中电阻大小相同，不同阶的反馈电路中电阻不相同。

5.如权利要求1所述的可变增益放大电路，其特征在于：

所述线性增益控制模块由单片机或者智能嵌入式芯片组成，产生控制信号，用于控制所述反馈电路中的开关状态。

6.一种权利要求1至5之一所述的可变增益放大电路的设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤A，放大电路整体硬件架构设计，包括电源模块设计，运算放大器模块设计，线性增益控制模块设计以及类倒T型电阻网络模块设计；

步骤B：所述类倒T型电阻网络电阻参数初始化计算；

步骤C：所述类倒T型电阻网络进行线性拟合算法设计；

步骤D：所述类倒T型电阻网络的参数优化设计；

步骤E：通过仿真实验对该放大电路进行验证。

7.如权利要求6所述的可变增益放大电路设计方法，其特征在于，步骤A所述，所述运算放大器模块与所述电源模块、所述类倒T型电阻网络模块相连，所述类倒T型电阻网络模块与所述运算放大器模块和所述线性增益控制模块相连。

8.如权利要求6所述的可变增益放大电路设计方法，其特征在于，步骤A所述类倒T型电阻网络设计，是由若干阶反馈电路组成，每一阶反馈电路由一个模拟开关和两个大小一样的电阻组成。

9.如权利要求8所述的可变增益放大电路设计方法，其特征在于，所述模拟开关，采用单刀双掷开关，如果所述模拟开关采用模拟开关芯片实现，所述类倒T型电阻网络模块还需要和所述电源模块相连，所述线性增益控制模块也需要采用单片机或者智能嵌入式芯片用于控制模拟开关，所述线性增益控制模块也需要和电源模块相连。

10.如权利要求6所述的可变增益放大电路设计方法，其特征在于，步骤C还包括：将初始电阻参数实现的电路放大倍数与线性增益时的放大倍数相拟合，进行拟合算法设计。