CN110048684A - 一种自动调节的可变增益放大电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动调节的可变增益放大电路及其实现方法，电路包括输入阻抗匹配电路、负反馈控制电压转换电路、主体运算放大电路以及输出匹配电路，所述输入阻抗匹配电路的输出端连接负反馈控制电压转换电路的输入端，所述负反馈控制电压转换电路的输出端连接主体运算放大电路的输入端，所述主体运算放大电路的输出端连接输出匹配电路的输入端。本发明无需通过数字电路来配合控制增益的变化，仅需通过模拟电路进行负反馈实现自动增益变化调节，操作难度小，可广泛应用于集成电路技术领域。

Description

一种自动调节的可变增益放大电路及其实现方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其是一种自动调节的可变增益放大电路及其实现方法。

背景技术

在数模混合集成电路系统中，经常需要对模拟信号的输入信号进行放大或衰减的处理，而可变增益放大器(VGA)是实现这一功能的重要模块。VGA的增益可以随控制信号变化，广泛应用在磁盘读取驱动电路、磁盘数据存储系统、电视调谐器、电磁计量器、高频滤波器、医疗电子设备等方面，在无线通信和收发系统中，也起着重要的作用。

当存在多路衰减和路径损耗时，接收信号要求的动态范围的典型值要大于100dB。由于最小的可检测信号在微伏(μV)的量级，因此，降低接收器的输入噪声以及防止串扰变得很关键。动态范围的另一个极端是接收器可能会接收到很大的信号，例如，如果接收机接近发送器，则接收到的信号幅度可能会高达几百毫伏(mV)。在包含幅度调制的通信系统中，如正交幅度调制(QAM)，接收信号的载波幅度需要准确的定义。解决这一问题导致需要使用自动增益控制。

AGC(自动增益控制)电路的目的是使接收机的增益能够随输入信号的强弱而自动调整，如图1所示，该图表示幅度变化的混频输出的有用信号经过AGC后幅度保持恒定或在特定的范围内变化。AGC能够保证在接收弱信号时，使接收机增益升高，而接收强信号时则增益降低，从而使输出信号保持在适当的电平，不至于因为输入信号太小而无法正常工作，也不至于因为输入信号太大而使接收机发生饱和或堵塞。如果没有自动增益控制电路，则很可能在接收很强或极弱信号时，使接收机产生饱和或过载或使信号淹没在噪声中而接收不到信号，从而使接收机工作失常。在自动增益控制电路的控制下，整个系统的性能才能得到保证，使得下一级电路能够在正常的状态下工作。自动增益控制电路在光纤通信、微波通信、卫星通信等通信系统以及雷达、广播电视系统中得到了广泛的应用。所以自动增益控制电路在接收机中具有相当重要的地位。

但是，现有的自动增益控制电路需要数字电路配合控制增益的变化，不具有连续性，操作的复杂度较高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种复杂度低的自动调节的可变增益放大电路及其实现方法。

本发明一方面所采取的技术方案为：

一种自动调节的可变增益放大电路，包括：

输入阻抗匹配电路，用于基于输入匹配的预设条件和带通滤波技术，接收输入信号并确定可变增益放大电路的频带；

负反馈控制电压转换电路，用于将所述输入信号对应的第一输出变化范围的控制电压转换成第二输出变化范围的电压，所述第一输出变化范围大于第二输出变化范围；

主体运算放大电路，用于对所述控制电压进行放大处理；

输出匹配电路，用于基于可变增益放大电路的接收频带范围，输出放大处理后的控制电压；

其中，所述输入阻抗匹配电路的输出端连接负反馈控制电压转换电路的输入端，所述负反馈控制电压转换电路的输出端连接主体运算放大电路的输入端，所述主体运算放大电路的输出端连接输出匹配电路的输入端。

进一步，所述输入阻抗匹配电路包括第一电容器、第二电容器和第七电阻，所述第一电容器的一端和第二电容器的一端均连接信号输入端，所述第一电容器的另一端分别连接共模参考电平端和第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端连接第二电容器的另一端。

进一步，所述负反馈控制电压转换电路包括第五电阻、第六电阻、第一P型晶体管和第二N型晶体管，所述第五电阻分别连接第六电阻的一端和第一P型晶体管的一端，所述第二N型晶体管分别连接第六电阻的另一端和第一P型晶体管的另一端。

进一步，所述主体运算放大电路包括第六N型晶体管、第四N型晶体管、第五N型晶体管、第四P型晶体管、第五P型晶体管、第一电阻、第二电阻、第二P型晶体管、第三N型晶体管、第七N型晶体管和第七P型晶体管，所述第六N型晶体管的一端分别连接第四N型晶体管的一端和第五N型晶体管的一端，所述第四N型晶体管的另一端连接第四P型晶体管的一端，所述第五N型晶体管的另一端连接第五P型晶体管的一端，所述第四P型晶体管的另一端连接第一电阻的一端，所述第五P型晶体管的另一端分别连接第二电阻的一端和第七P型晶体管的一端，所述第七P型晶体管的另一端连接第七N型晶体管的一端，所述第七N型晶体管的另一端连接第三N型晶体管的一端。

进一步，所述输出匹配电路包括第三电容器、第四电容器、第三电阻和第四电阻，所述第四电阻的一端连接共模参考电平端，所述第四电阻的另一端分别连接第三电阻的一端和负反馈输入端，所述第三电阻的另一端连接第三电容器的一端，所述第三电容器的另一端连接第四电容器的一端，所述第四电容器的另一端连接共模参考电平端。

本发明另一方面所采取的技术方案是：

一种自动调节的可变增益放大电路的实现方法，包括以下步骤：

基于输入匹配的预设条件和带通滤波技术，通过输入阻抗匹配电路接收输入信号并确定可变增益放大电路的频带；

通过负反馈控制电压转换电路将所述输入信号对应的第一输出变化范围的控制电压转换成第二输出变化范围的电压，所述第一输出变化范围大于第二输出变化范围；

通过主体运算放大电路对所述控制电压进行放大处理；

基于可变增益放大电路的接收频带范围，通过输出匹配电路输出放大处理后的控制电压。

进一步，还包括以下步骤：

通过带隙基准源提供可变增益放大电路的基准电流源；

通过第一N型晶体管和第六N型晶体管构建电流镜电路；

通过电流镜电路对基准电流源进行放大镜像处理，得到运算放大器尾电流。

进一步，所述输入阻抗匹配电路包括第一电容器、第二电容器和第七电阻，所述第一电容器的一端和第二电容器的一端均连接信号输入端，所述第一电容器的另一端分别连接共模参考电平端和第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端连接第二电容器的另一端；

所述负反馈控制电压转换电路包括第五电阻、第六电阻、第一P型晶体管和第二N型晶体管，所述第五电阻分别连接第六电阻的一端和第一P型晶体管的一端，所述第二N型晶体管分别连接第六电阻的另一端和第一P型晶体管的另一端。

进一步，所述主体运算放大电路包括第六N型晶体管、第四N型晶体管、第五N型晶体管、第四P型晶体管、第五P型晶体管、第一电阻、第二电阻、第二P型晶体管、第三N型晶体管、第七N型晶体管和第七P型晶体管，所述第六N型晶体管的一端分别连接第四N型晶体管的一端和第五N型晶体管的一端，所述第四N型晶体管的另一端连接第四P型晶体管的一端，所述第五N型晶体管的另一端连接第五P型晶体管的一端，所述第四P型晶体管的另一端连接第一电阻的一端，所述第五P型晶体管的另一端分别连接第二电阻的一端和第七P型晶体管的一端，所述第七P型晶体管的另一端连接第七N型晶体管的一端，所述第七N型晶体管的另一端连接第三N型晶体管的一端。

进一步，所述输出匹配电路包括第三电容器、第四电容器、第三电阻和第四电阻，所述第四电阻的一端连接共模参考电平端，所述第四电阻的另一端分别连接第三电阻的一端和负反馈输入端，所述第三电阻的另一端连接第三电容器的一端，所述第三电容器的另一端连接第四电容器的一端，所述第四电容器的另一端连接共模参考电平端。

本发明的有益效果是：本发明包括输入阻抗匹配电路、负反馈控制电压转换电路、主体运算放大电路以及输出匹配电路，通过输入阻抗匹配电路实现可变增益放大电路的频带选择，并在频带范围内满足输入匹配的要求；通过负反馈控制电压转换电路将输出变化范围较大的控制电压转换成变化范围较小的电压，实现增益可调；通过运算放大电路提供电路的开环增益，实现信号的放大；通过输出匹配电路实现了在可变增益放大电路接收的频带范围内的输出阻抗匹配，扩展增益带宽，本发明无需通过数字电路来配合控制增益的变化，仅需通过模拟电路进行负反馈实现自动增益变化调节，操作复杂度低。

附图说明

图1为现有AGC电路的功能示意图；

图2为本发明的一种自动调节的可变增益放大电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。

本发明实施例提供了一种自动调节的可变增益放大电路，包括：

输入阻抗匹配电路，用于基于输入匹配的预设条件和带通滤波技术，接收输入信号并确定可变增益放大电路的频带；

负反馈控制电压转换电路，用于将所述输入信号对应的第一输出变化范围的控制电压转换成第二输出变化范围的电压，所述第一输出变化范围大于第二输出变化范围；

主体运算放大电路，用于对所述控制电压进行放大处理；

输出匹配电路，用于基于可变增益放大电路的接收频带范围，输出放大处理后的控制电压；

其中，所述输入阻抗匹配电路的输出端连接负反馈控制电压转换电路的输入端，所述负反馈控制电压转换电路的输出端连接主体运算放大电路的输入端，所述主体运算放大电路的输出端连接输出匹配电路的输入端。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述输入阻抗匹配电路包括第一电容器C1、第二电容器C2和第七电阻R7，所述第一电容器C1的一端和第二电容器C2的一端均连接信号输入端VIN，所述第一电容器C1的另一端分别连接共模参考电平端VMID和第七电阻R7的一端，所述第七电阻R7的另一端连接第二电容器C2的另一端。

具体地，如图2所示，I0为外部输入的基准电流源，一般由带隙基准源提供，I0与二极管接法的N1相接，形成VB0，然后N1与N6形成电流镜电路，将电流I0放大镜像做为运算放大器尾电流。N1和N6需要做版图匹配，确保电流镜精准镜像，本实施例可以根据增益和功耗，对N6和N1的镜像倍数进行动态调整。

输入阻抗匹配电路是由C1、C2、R7组成的带通滤波电路，VIN为本电路的信号输入端，VMID是共模参考电平，VINP是运算放大器的正向输入端；输入阻抗匹配电路通过带通滤波的形式实现VGA的频带选择，滤波电路的中心频率和带宽主要由C1、C2、R7的大小决定，并在频带范围内满足输入匹配的要求。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述负反馈控制电压转换电路包括第五电阻R5、第六电阻R6、第一P型晶体管P1和第二N型晶体管N2，所述第五电阻R5分别连接第六电阻R6的一端和第一P型晶体管P1的一端，所述第二N型晶体管N2分别连接第六电阻R6的另一端和第一P型晶体管P1的另一端。

具体地，如图2所示，负反馈控制电压转换电路是由R5、R6、P1、N2组成，VOUT是电路输出信号，Vb1是输出信号分压而形成的负反馈电压，Vb1控制P1管的导通电流的大小，P1与二极管接法的N2相连从而产生变化范围较小和电压范围更合适的控制电压Vb2，实现电平转换，Vb2控制P3、P6的导通电流，实现增益-控制电压呈dB-线性关系及增益可调。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述主体运算放大电路包括第六N型晶体管N6、第四N型晶体管N4、第五N型晶体管N5、第四P型晶体管P4、第五P型晶体管P5、第一电阻R1、第二电阻R2、第二P型晶体管P2、第三N型晶体管N3、第七N型晶体管N7和第七P型晶体管P7，所述第六N型晶体管N6的一端分别连接第四N型晶体管N4的一端和第五N型晶体管N5的一端，所述第四N型晶体管N4的另一端连接第四P型晶体管P4的一端，所述第五N型晶体管N5的另一端连接第五P型晶体管P5的一端，所述第四P型晶体管P4的另一端连接第一电阻R1的一端，所述第五P型晶体管P5的另一端分别连接第二电阻R2的一端和第七P型晶体管P7的一端，所述第七P型晶体管P7的另一端连接第七N型晶体管N7的一端，所述第七N型晶体管N7的另一端连接第三N型晶体管N3的一端。

具体地，如图2所示，主体运算放大电路是由N6、N4、N5、P4、P5、R1、R2、P2、N3、P7、N7、R1和R2组成，形成了双端输入单端输出的二级运算放大器闭环电路。VINN、VINP是其双端输入，VINN是输出电压与vmid之间R3、R4分压形成的负反馈输入，本运算放大器的闭环增益有R3/R4和其开环增益共同决定；P4、P5的衬底没有接到最高电平VCC而是分别与P4、P5的源级接在一起，是为了消除衬偏而引入的管子阈值变化，其栅极电压VB是由外部基准源提供，需要确保P4、P5可过最大电流要比运算放大器的尾电流大。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述输出匹配电路包括第三电容器C3、第四电容器C4、第三电阻R3和第四电阻R4，所述第四电阻R4的一端连接共模参考电平端，所述第四电阻R4的另一端分别连接第三电阻R3的一端和负反馈输入端，所述第三电阻R3的另一端连接第三电容器C3的一端，所述第三电容器C3的另一端连接第四电容器C4的一端，所述第四电容器C4的另一端连接共模参考电平端。

具体地，如图2所示，输出匹配电路主要由C3、C4、R3和R4组成，实现在VGA(可变增益放大电路)接收的频带范围内的输出阻抗匹配，扩展增益带宽。

与图2所示的电路，本发明实施例提供了一种自动调节的可变增益放大电路的实现方法，包括以下步骤：

基于输入匹配的预设条件和带通滤波技术，通过输入阻抗匹配电路接收输入信号并确定可变增益放大电路的频带；

通过负反馈控制电压转换电路将所述输入信号对应的第一输出变化范围的控制电压转换成第二输出变化范围的电压，所述第一输出变化范围大于第二输出变化范围；

通过主体运算放大电路对所述控制电压进行放大处理；

基于可变增益放大电路的接收频带范围，通过输出匹配电路输出放大处理后的控制电压。

进一步作为优选的实施方式，还包括以下步骤：

通过带隙基准源提供可变增益放大电路的基准电流源；

通过第一N型晶体管和第六N型晶体管构建电流镜电路；

通过电流镜电路对基准电流源进行放大镜像处理，得到运算放大器尾电流。

进一步作为优选的实施方式，所述输入阻抗匹配电路包括第一电容器、第二电容器和第七电阻，所述第一电容器的一端和第二电容器的一端均连接信号输入端，所述第一电容器的另一端分别连接共模参考电平端和第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端连接第二电容器的另一端；

所述负反馈控制电压转换电路包括第五电阻、第六电阻、第一P型晶体管和第二N型晶体管，所述第五电阻分别连接第六电阻的一端和第一P型晶体管的一端，所述第二N型晶体管分别连接第六电阻的另一端和第一P型晶体管的另一端。

进一步作为优选的实施方式，所述主体运算放大电路包括第六N型晶体管、第四N型晶体管、第五N型晶体管、第四P型晶体管、第五P型晶体管、第一电阻、第二电阻、第二P型晶体管、第三N型晶体管、第七N型晶体管和第七P型晶体管，所述第六N型晶体管的一端分别连接第四N型晶体管的一端和第五N型晶体管的一端，所述第四N型晶体管的另一端连接第四P型晶体管的一端，所述第五N型晶体管的另一端连接第五P型晶体管的一端，所述第四P型晶体管的另一端连接第一电阻的一端，所述第五P型晶体管的另一端分别连接第二电阻的一端和第七P型晶体管的一端，所述第七P型晶体管的另一端连接第七N型晶体管的一端，所述第七N型晶体管的另一端连接第三N型晶体管的一端。

进一步作为优选的实施方式，所述输出匹配电路包括第三电容器、第四电容器、第三电阻和第四电阻，所述第四电阻的一端连接共模参考电平端，所述第四电阻的另一端分别连接第三电阻的一端和负反馈输入端，所述第三电阻的另一端连接第三电容器的一端，所述第三电容器的另一端连接第四电容器的一端，所述第四电容器的另一端连接共模参考电平端。

本发明的可变增益放大电路可用于RFID射频信号解调电路，射频信号从天线获取信号后经过去包络滤波形成微弱有效信号，经过本发明的自动可调增益放大电路后，信号被整形成容易被解调的放大信号，再对该信号进行解调和解码，实现信号传输。

综上所述，本发明一种自动调节的可变增益放大电路及其实现方法具有以下优点：

1、本发明的输入阻抗匹配电路通过带通滤波的形式实现VGA的频带选择，并在频带范围内满足输入匹配的要求。

2、本发明的负反馈控制电压转换电路将输出变化范围较大的控制电压转换成变化范围较小的电压，并且调整控制电压的变化范围满足直接控制信号相加式结构单元，实现增益-控制电压呈dB-线性关系及增益可调。

3、本发明的运算放大电路提供电路主要的开环增益，实现信号的放大。

4、本发明的输出匹配电路实现在VGA接收的频带范围内的输出阻抗匹配，扩展增益带宽。

5、本发明无需通过数字电路来配合控制增益的变化，仅需通过模拟电路进行负反馈实现自动增益变化调节，操作难度小。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种自动调节的可变增益放大电路，其特征在于：包括：

输入阻抗匹配电路，用于基于输入匹配的预设条件和带通滤波技术，接收输入信号并确定可变增益放大电路的频带；

负反馈控制电压转换电路，用于将所述输入信号对应的第一输出变化范围的控制电压转换成第二输出变化范围的电压，所述第一输出变化范围大于第二输出变化范围；

主体运算放大电路，用于对所述控制电压进行放大处理；

输出匹配电路，用于基于可变增益放大电路的接收频带范围，输出放大处理后的控制电压；

其中，所述输入阻抗匹配电路的输出端连接负反馈控制电压转换电路的输入端，所述负反馈控制电压转换电路的输出端连接主体运算放大电路的输入端，所述主体运算放大电路的输出端连接输出匹配电路的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种自动调节的可变增益放大电路，其特征在于：所述输入阻抗匹配电路包括第一电容器、第二电容器和第七电阻，所述第一电容器的一端和第二电容器的一端均连接信号输入端，所述第一电容器的另一端分别连接共模参考电平端和第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端连接第二电容器的另一端。

3.根据权利要求1所述的一种自动调节的可变增益放大电路，其特征在于：所述负反馈控制电压转换电路包括第五电阻、第六电阻、第一P型晶体管和第二N型晶体管，所述第五电阻分别连接第六电阻的一端和第一P型晶体管的一端，所述第二N型晶体管分别连接第六电阻的另一端和第一P型晶体管的另一端。

4.根据权利要求1所述的一种自动调节的可变增益放大电路，其特征在于：所述主体运算放大电路包括第六N型晶体管、第四N型晶体管、第五N型晶体管、第四P型晶体管、第五P型晶体管、第一电阻、第二电阻、第二P型晶体管、第三N型晶体管、第七N型晶体管和第七P型晶体管，所述第六N型晶体管的一端分别连接第四N型晶体管的一端和第五N型晶体管的一端，所述第四N型晶体管的另一端连接第四P型晶体管的一端，所述第五N型晶体管的另一端连接第五P型晶体管的一端，所述第四P型晶体管的另一端连接第一电阻的一端，所述第五P型晶体管的另一端分别连接第二电阻的一端和第七P型晶体管的一端，所述第七P型晶体管的另一端连接第七N型晶体管的一端，所述第七N型晶体管的另一端连接第三N型晶体管的一端。

5.根据权利要求1所述的一种自动调节的可变增益放大电路，其特征在于：所述输出匹配电路包括第三电容器、第四电容器、第三电阻和第四电阻，所述第四电阻的一端连接共模参考电平端，所述第四电阻的另一端分别连接第三电阻的一端和负反馈输入端，所述第三电阻的另一端连接第三电容器的一端，所述第三电容器的另一端连接第四电容器的一端，所述第四电容器的另一端连接共模参考电平端。

6.一种自动调节的可变增益放大电路的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：

基于输入匹配的预设条件和带通滤波技术，通过输入阻抗匹配电路接收输入信号并确定可变增益放大电路的频带；

通过负反馈控制电压转换电路将所述输入信号对应的第一输出变化范围的控制电压转换成第二输出变化范围的电压，所述第一输出变化范围大于第二输出变化范围；

通过主体运算放大电路对所述控制电压进行放大处理；

基于可变增益放大电路的接收频带范围，通过输出匹配电路输出放大处理后的控制电压。

7.根据权利要求6所述的一种自动调节的可变增益放大电路的实现方法，其特征在于：还包括以下步骤：

通过带隙基准源提供可变增益放大电路的基准电流源；

通过第一N型晶体管和第六N型晶体管构建电流镜电路；

通过电流镜电路对基准电流源进行放大镜像处理，得到运算放大器尾电流。

8.根据权利要求6所述的一种自动调节的可变增益放大电路的实现方法，其特征在于：

所述输入阻抗匹配电路包括第一电容器、第二电容器和第七电阻，所述第一电容器的一端和第二电容器的一端均连接信号输入端，所述第一电容器的另一端分别连接共模参考电平端和第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端连接第二电容器的另一端；

所述负反馈控制电压转换电路包括第五电阻、第六电阻、第一P型晶体管和第二N型晶体管，所述第五电阻分别连接第六电阻的一端和第一P型晶体管的一端，所述第二N型晶体管分别连接第六电阻的另一端和第一P型晶体管的另一端。

9.根据权利要求6所述的一种自动调节的可变增益放大电路的实现方法，其特征在于：所述主体运算放大电路包括第六N型晶体管、第四N型晶体管、第五N型晶体管、第四P型晶体管、第五P型晶体管、第一电阻、第二电阻、第二P型晶体管、第三N型晶体管、第七N型晶体管和第七P型晶体管，所述第六N型晶体管的一端分别连接第四N型晶体管的一端和第五N型晶体管的一端，所述第四N型晶体管的另一端连接第四P型晶体管的一端，所述第五N型晶体管的另一端连接第五P型晶体管的一端，所述第四P型晶体管的另一端连接第一电阻的一端，所述第五P型晶体管的另一端分别连接第二电阻的一端和第七P型晶体管的一端，所述第七P型晶体管的另一端连接第七N型晶体管的一端，所述第七N型晶体管的另一端连接第三N型晶体管的一端。

10.根据权利要求6所述的一种自动调节的可变增益放大电路的实现方法，其特征在于：所述输出匹配电路包括第三电容器、第四电容器、第三电阻和第四电阻，所述第四电阻的一端连接共模参考电平端，所述第四电阻的另一端分别连接第三电阻的一端和负反馈输入端，所述第三电阻的另一端连接第三电容器的一端，所述第三电容器的另一端连接第四电容器的一端，所述第四电容器的另一端连接共模参考电平端。