CN111130477A - 电平触发型的自动调节增益放大电路 - Google Patents
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Abstract
一种电平触发型的自动调节增益放大电路，包括可编程增益放大器和自动增益控制电路，所述自动增益控制电路包括比较器和数字逻辑电路，所述比较器，用于判定信号大小是否超过预设电平，输出的数字信号用来决定可编程增益放大器的增益。本发明采用全新设计的前馈控制模式自动增益控制电路，基于电平触发动作原理，避免了峰值检测电路的使用，降低了整个电路的静态功耗，能实现较快的增益调节响应，同时本发明无需峰值检测电路，降低了整个电路的静态功耗，具有功耗低、结构简单、可控性强等优点。
Description
技术领域
本发明属于集成电路，尤其涉及一种电平触发型的自动调节增益放大电路。
背景技术
自动调节增益放大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。自动调节增益放大电路在通信系统的接收机、语音传送设备、遥控器信号接收、磁条读取以及生物电阻抗测量等领域有着广泛的应用。以生物电阻抗测量领域为例，在读取电路中，信号的幅度在几百微伏(uV)到几毫伏(mV)之间，所要求的自动调节增益放大电路输出信号的峰值稳定在几百毫伏左右。
通常，自动调节增益放大电路主要包含可编程增益放大器和自动增益控制电路两个部分。可编程增益放大器，依照比例放大的方式不同，可以分为基于电容比例放大的可编程放大器和基于电阻比例放大的可编程放大器。自动增益控制电路，依照信号传递方向，可以分为前馈自动增益控制电路(如图1所示)和反馈自动增益控制电路(如图2所示)两种模式。前馈自动增益控制电路的优势在于不受最小稳定建立时间的限制，并且不存在环路不稳定的问题；反馈自动增益控制电路的优势在于输入的动态范围要求低，具有较高的线性度。
传统的自动增益控制电路一般包括比较器、峰值检测电路和一些逻辑控制电路。整个电路主要的静态功耗会消耗在峰值检测电路中，然而为了实现低功耗的自动增益控制电路，需要尽可能地降低峰值检测电路这部分功耗。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种电平触发型的自动调节增益放大电路，不需要峰值检测电路，结构更简单。发明目的在于，实现低功耗自动增益控制电路，根据检测读取信号的大小来提供合适的增益值，确保信号的可读性。
本发明的技术解决方案如下：
一种电平触发型的自动调节增益放大电路，包括可编程增益放大器和自动增益控制电路，所述的可编程增益放大器对输入信号进行放大，可编程增益放大器的增益由自动增益控制电路控制；其特征在于，所述自动增益控制电路包括比较器和数字逻辑电路，所述比较器，用于判定信号大小是否超过预设电平，输出的数字信号用来决定可编程增益放大器的增益；
所述的可编程增益放大器，包括：全差分放大器、比例电容阵列、跨接电阻和置位开关；
所述的比例电容阵列包括输入电容和反馈电容，所述的输入电容的一端为信号输入端，另一端与全差分放大器的输入端相连；
所述的反馈电容的一端与全差分放大器的输入端相连，反馈电容的另一端与全差分放大器的输出端相连；
所述的跨接电阻的一端与全差分放大器的输入端相连，另一端与全差分放大器的输出端相连；
所述的置位开关包括第一开关和第二开关，第一开关的一端为共模信号输入端，另一端与全差分放大器的输入端相连，第二开关的一端与全差分放大器的输入端相连，另一端全差分与放大器的输出端相连；全差分放大器利用其虚短虚断的特性，实现比例放大的特性。
所述的数字逻辑电路包含了第一与门、第二与门、第三与门、第四与门、第一或门、第二或门、反相器、第一触发器、第二触发器、第三触发器和第四触发器，第一与门的输出端接到第二与门的输入端，第二与门的输出端接到第三与门的输入端，第三与门的输出端接到第四与门的输入端，第四与门的输出端与比较器的时钟输入端相连，比较器的P端输出端与第四触发器的D端相连，比较器的N端输出端与第三触发器的时钟输入端相连，第三触发器的Q端输出作为第三与门的输入；第一触发器的Q端输出端与第二触发器的输入相连，第一触发器与第二触发器的时钟输入端连接在一起组成两位移位寄存器，产生信号AGC_RSTN；
AGC_RST信号和AGC_RSTN信号通过第一或门产生RESTART信号；AGC_RSTN信号通过反相器产生SAMPLE信号；
RESTART信号接在第三触发器的Set端和第四触发器的Reset端；
SAMPLE信号接在第四触发器的时钟输入端，第四触发器的反相Q端与AGC_RSTN信号作为第二或门的输入，产生控制信号(S0、S1、S2…Sk-1)，该控制信号同时作为反馈信号接到第四与门的第二输入端。
所述的自动增益控制电路采用前馈控制模式。
在信号检测的过程中，所述的自动增益控制电路根据外灌的DEL_CLK时钟和AGC_RST信号配合移位寄存器产生AGC_RSTN信号，AGC_RST信号和AGC_RSTN信号组合给比较器设置了固定的工作区间，一旦信号超过预设电平值时，比较器会被置为失效状态，降低了整个电路的动态功耗。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)采用全新设计的前馈控制模式自动增益控制电路，基于电平触发动作原理，避免了峰值检测电路的使用，降低了整个电路的静态功耗。
2)在信号检测的过程中，给比较器设置了固定的工作区间，此外，一旦信号超过预设电平值时，比较器同样会被置为失效状态，这样以来在一定程度上也降低了整个电路的动态功耗。
3)本发明实现较快的增益调节响应，同时本发明无需峰值检测电路，降低了整个电路的静态功耗，具有功耗低、结构简单、可控性强等优点。
附图说明
图1为现有技术中基于前馈模式的自动调节增益放大器的结构示意图；
图2为现有技术中基于反馈模式的自动调节增益放大器的结构示意图；
图3为本发明自动调节增益放大电路实施例1的结构示意图；
图4为图3实施例中第一级可编程增益放大器的结构示意图；
图5为图3实施例中第二级可编程增益放大器的结构示意图；
图6为本发明实施例中单通道自动增益控制电路的具体结构示意图；
图7为本发明实施例自动调节增益放大电路工作原理示意图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图3为本发明自动增益放大电路实施例提供的的结构示意图，如图3所示，该结构包括：可编程增益放大模块31和自动增益控制电路32；所述的可编程增益放大模块由第一可编程增益放大器311和第二可编程增益放大器312级联组成，增益可调范围为Gi-Gj；
第一可编程增益放大器311与第二可编程增益放大器312均采用电容耦合放大结构，包括全差分放大器41(51)、比例电容阵列42(52)、跨接电阻43(53)和置位开关44(54)；
所述比例电容阵列42(52)中的输入电容一端与信号输入端相连，另一端与全差分放大器41(51)的输入端相连；反馈电容的一端与全差分放大器41(51)的输入端相连，另一端与放大器41(51)的输出端相连。跨接电阻43(53)的一端与全差分放大器41(51)的输入端相连，另一端与放大器41(51)的输出端相连。置位开关44(54)包括第一开关和第二开关，第一开关的一端与共模输入信号的输入端相连，另一端与全差分放大器41(51)的输入端相连；第二开关一端与放大器41(51)的输入端相连，另一端与放大器41(51)的输出端相连。全差分放大器41(51)利用其虚短虚断的特性，实现比例放大的特性。
所述的比例电容阵列42(52)，跨接在全差分放大器41(51)的输入输出端，用来决定可编程增益放大器的增益大小。在可编程增益放大器311中，比例电容的关系是Cp0＝Cn0＝mCp1＝mCn1，Cp2＝Cn2＝nCp1＝nCn1。当开关S0打开时(低电平)，可编程增益放大器311的增益为G5。在可编程增益放大器312中，以k等于4为例展开介绍，其中比例电容的关系是Cp0＝Cn0＝tCp1＝tCn1＝tCp2＝tCn2＝pCp3＝pCn3＝qCp4＝qCn4。当开关S1、S2和S3均打开(低电平)时，可编程增益放大器312的增益为G4；当开关S1闭合(高电平)，S2和S3打开(低电平)时，可编程增益放大器312的增益为G3；当开关S1和S2闭合(高电平)，S3打开(低电平)时，可编程增益放大器312的增益为G2；当开关S1、S2和S3均闭合(高电平)时，可编程增益放大器312的增益为G1。
其中，G1＝q-1；G2＝q；G3＝p；G4＝t；G5＝m
所述跨接电阻43(53)与比例电容阵列42(52)并联，用来提供输入信号的直流电平；
所述置位开关44(54)，用来泄放初始状态下电容阵列多余的电荷；
所述可编程增益放大器311通过开关S0的打开与关闭两步可调来控制电容的比例，增益分别为G1和G5；所述可编程增益放大器312通过开关S1、S2…Sk-1的打开与关闭k步可调来控制电容的比例，增益分别为G1，G2，G3…Gk。
其次，结合图6对自动增益控制电路32进行具体说明：
自动增益控制电路32包括：比较器61和数字逻辑电路。
所述比较器61，用于判定信号大小是否超过预设电平，输出的数字信号用来决定可编程增益放大器的增益。
所述的数字逻辑电路包含了第一与门62、第二与门63、第三与门69、第四与门610、第一或门66、第二或门612、反相器67、第一触发器64、第二触发器65、第三触发器68和第四触发器611，第一与门62的输出端接到第二与门63的输入端，第二与门63的输出端接到第三与门69的输入端，第三与门69的输出端接到第四与门610的输入端，第四与门610的输出端与比较器61的时钟输入端相连，比较器61的P端输出端与第四触发器611的D端相连，比较器61的N端输出端与第三触发器68的时钟输入端相连，第三触发器68的Q端输出作为第三与门69的输入；第一触发器64的Q端输出端与第二触发器65的输入相连，第一触发器64与第二触发器65的时钟输入端连接在一起组成两位移位寄存器，产生信号AGC_RSTN；
AGC_RST信号和AGC_RSTN信号通过第一或门66产生RESTART信号；AGC_RSTN信号通过反相器67产生SAMPLE信号；
RESTART信号接在第三触发器68的Set端和第四触发器611的Reset端；
SAMPLE信号接在第四触发器611的时钟输入端，第四触发器611的反相Q端与AGC_RSTN信号作为第二或门612的输入，产生控制信号(S0、S1、S2…Sk-1)，该控制信号同时作为反馈信号接到第四与门610的第二输入端。
本发明实施例提供的一种自动调节增益放大电路，采用前馈自动增益控制模式并通过电平触发方式得到所需的数字控制信号，即自动增益控制电路32通过检测可编程增益放大器31输入端的信号，并与预设的电平值作比较，预设的电平值将信号的输入范围划分成若干个阈值区间，一旦信号的大小超过预设电平值，即信号从较低的阈值区间跨入到较高的阈值区间，那么比较器61的输出会发生翻转。比较输出的结果用来控制可编程增益放大器31的电容比值，进而控制整个放大电路的增益，进而实现电路增益自动可调的功能。
结合图7对本发明实施例中的自动调节增益放大电路原理进行进一步说明。首先，该自动调节增益放大电路选取了k个预设电平值(Vref_0、Vref_1、Vref_2…Vref_k-1)。其中，预设电平Vref_0作为第一级可编程增益放大器311输入信号的比较参照，分成了两个阈值区间；预设电平Vref_1、Vref_2…Vref_k-1作为第二级可编程增益放大器312输入信号(即第一级可编程增益放大器311输出信号)的比较参照，分成了k-1个阈值区间。
需要说明的是，预设电平值的确定是根据待检测信号的范围以及前端读取电路的增益来确定的，以保证较大的读取范围。
在本发明实施例中的自动增益控制电路32中包含了k个相同结构的电平判定通路，这k个通路同时对相应位置的输入信号进行比较判定。若输入信号由共模电平VCM越过预设电平Vref_0，自动增益控制电路的输出位S0变为高电平；反之，S0为低电平。若输入信号越过预设电平Vref_1，则S1为高电平；反之，S1为低电平。若输入信号越过预设电平Vref_2，则S2为高电平；反之，S2为低电平。若输入信号越过预设电平Vref_k-1，则Sk-1为高电平；反之，Sk-1为低电平。最后，通过S0、S1、S2…Sk-1的输出组合结果来决定可编程增益放大器的增益。
下面，结合图6以单个判定通路为例，对其电路实现进行具体说明：
对于本发明实施例中自动增益控制电路32来说，其输入端口包括VIP1(VIP2)、AGC_RST、DEL_CLK、CLK、Vref_0、Vref_1、Vref_2…Vref_k-1。其中，
VIP1(VIP2)端口是自动增益控制电路检测信号的输入端，其与比较器61的正极输入端直接相连。
AGC_RST信号用来产生AGC_RSTN信号，并与AGC_RSTN信号共同决定信号检测过程的区间，AGC_RST信号与AGC_RSTN信号通过与门62做与操作，输出结果AGC_ON高电平的部分即为检测区间。将AGC_RST信号和AGC_RSTN信号通过或门66的结果RESTART信号，作为自动增益控制电路32的置位信号。
DEL_CLK信号的周期与检测信号的周期一致，用来决定信号检测过程区间的长度，通过两个D触发器64和65组成移位寄存器，控制信号AGC_RST和AGC_RSTN的相位差。
CLK信号用来产生比较器61的比较时钟，在这个过程中CLK信号和AGC_ON信号通过与门63得到比较器61的工作时钟。
Vref_0、Vref_1、Vref_2…Vref_k-1提供k个预设的电平值。
在初始状态下，AGC_RST信号和AGC_RSTN信号均为低电平，此时RESTART信号也为低电平，自动增益控制电路32被置位，其输出信号S0、S1、S2…Sk-1均为高电平，此时整个自动调节增益放大电路的增益最小。随后，AGC_RSTN信号从低电平变为高电平，SAMPLE信号变为低电平，做好读取输出信号的准备，此时自动增益控制电路32的输出信号S0、S1、S2…Sk-1仍为高电平。接下来，AGC_RST信号从低电平变为高电平，此时比较器61的工作时钟CMP_CLK开始启动，由于S0、S1、S2…Sk-1仍为高电平，故比较器61开始比较。
当检测信号VIP的大小越过VIN端的预设电平时，比较器61的P端输出变为低电平，N端输出信号P0由低电平变为高电平，这一触发信号反馈至比较时钟的输入端，上升沿将低电平信号通过D触发器68传送至与门69的输入端，和比较时钟CMP_CLK进行与操作，进而使比较时钟失效，比较器61停止工作。接下来，AGC_RSTN信号由高电平变为低电平，比较时钟CMP_CLK也将维持在低电平，SAMPLE信号由低电平变为高电平，这一触发信号的上升沿将比较器61的P端输出的取反结果通过D触发器611的反向输出端QN送至或门612的输入端，由于此时或门612另一端的输入信号AGC_RSTN维持在低电平，那么比较器61的P端的输出结果就直接作为这一通道自动增益控制电路32的输出S0，此时S0仍为高电平。检测信号VIP超过了预设电平值，被视为较大的输入信号，因此需要较小的增益，S0仍为高电平符合预期结果。
若检测信号VIP的峰值都没有超过VIN端的预设电平值，比较器61的P端的输出为高电平，N端输出信号P0为低电平，此时比较时钟CMP_CLK没有失效，比较器61仍处于工作状态。接下来，AGC_RSTN信号由高电平变为低电平，比较时钟CMP_CLK也变为低电平，比较器61停止工作。同样地，SAMPLE信号由低电平变为高电平，这一触发信号的上升沿将比较器61的P端输出的取反结果通过D触发器611的反向输出端QN送至或门612的输入端，此时S0变为低电平。检测信号VIP未超过预设电平值，被视为较小的输入信号，因此需要较大的增益，S0变为电平符合预期结果。
需要说明的是，由于比较器61本身会存在失调电压，较大的失调电压会使得自动增益控制电路的输出结果出错，可编程增益放大器的增益偏离预期，致使获取信号的可读性差。因此，本发明实施例中，对比较器61本身失调电压的控制是限制在相邻预设电压值区间的一半以下。
需要说明的是，本发明实施例在电阻抗断层成像系统中得以应用。在电阻抗断层成像系统中，由于测量体表电位电极与注入电流电极的距离不同，不同测量位置所获的电位值会有所不同。其中，距离注入电流电极较近的位置，电位值较大，而距离注入电流电极较远的位置，电位值较小。为了能够使得测量到的电位信息可读性较好，在系统前端读取电路中采用了此自动调节增益放大电路。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种电平触发型的自动调节增益放大电路，包括可编程增益放大器和自动增益控制电路，所述的可编程增益放大器对输入信号进行放大，可编程增益放大器的增益由自动增益控制电路控制；其特征在于，所述自动增益控制电路包括比较器和数字逻辑电路，所述比较器，用于判定信号大小是否超过预设电平，输出的数字信号用来决定可编程增益放大器的增益；
所述的可编程增益放大器，包括：全差分放大器、比例电容阵列、跨接电阻和置位开关；
所述的比例电容阵列包括输入电容和反馈电容，所述的输入电容的一端为信号输入端，另一端与全差分放大器的输入端相连；
所述的反馈电容的一端与全差分放大器的输入端相连，反馈电容的另一端与全差分放大器的输出端相连；
所述的跨接电阻的一端与全差分放大器的输入端相连，另一端与全差分放大器的输出端相连；
所述的置位开关包括第一开关和第二开关，第一开关的一端为共模信号输入端，另一端与全差分放大器的输入端相连，第二开关的一端与全差分放大器的输入端相连，另一端全差分与放大器的输出端相连；全差分放大器利用其虚短虚断的特性，实现比例放大的特性。
2.根据权利要求1所述的电平触发型的自动调节增益放大电路，其特征在于，所述的数字逻辑电路包含了第一与门、第二与门、第三与门、第四与门、第一或门、第二或门、反相器、第一触发器、第二触发器、第三触发器和第四触发器，第一与门的输出端接到第二与门的输入端，第二与门的输出端接到第三与门的输入端，第三与门的输出端接到第四与门的输入端，第四与门的输出端与比较器的时钟输入端相连，比较器的P端输出端与第四触发器的D端相连，比较器的N端输出端与第三触发器的时钟输入端相连，第三触发器的Q端输出作为第三与门的输入；第一触发器的Q端输出端与第二触发器的输入相连，第一触发器与第二触发器的时钟输入端连接在一起组成两位移位寄存器，产生信号AGC_RSTN；
AGC_RST信号和AGC_RSTN信号通过第一或门产生RESTART信号；AGC_RSTN信号通过反相器产生SAMPLE信号；
RESTART信号接在第三触发器的Set端和第四触发器的Reset端；
SAMPLE信号接在第四触发器的时钟输入端，第四触发器的反相Q端与AGC_RSTN信号作为第二或门的输入，产生控制信号(S0、S1、S2…Sk-1)，该控制信号同时作为反馈信号接到第四与门的第二输入端。
3.根据权利要求1所述的电平触发型的自动调节增益放大电路，其特征在于，所述的自动增益控制电路采用前馈控制模式。
4.根据权利要求1所述的电平触发型的自动调节增益放大电路，其特征在于，在信号检测的过程中，所述的自动增益控制电路根据外灌的DEL_CLK时钟和AGC_RST信号配合移位寄存器产生AGC_RSTN信号，AGC_RST信号和AGC_RSTN信号组合给比较器设置了固定的工作区间，一旦信号超过预设电平值时，比较器会被置为失效状态，降低了整个电路的动态功耗。
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| CN113839634A (zh) * | 2021-09-24 | 2021-12-24 | 东南大学 | 一种具有自动增益调节功能的生物信号检测电路 |
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| CN102201792A (zh) * | 2010-03-25 | 2011-09-28 | 上海沙丘微电子有限公司 | 音频功率放大器自动增益控制电路 |
| CN102739177A (zh) * | 2012-07-17 | 2012-10-17 | 中科芯集成电路股份有限公司 | 一种自检测数字自动增益控制方法及电路 |
| CN110311680A (zh) * | 2019-06-21 | 2019-10-08 | 浙江大学 | 抗PVT涨落适应低Vref输入的SAR ADC电路及估算方法 |
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2019
- 2019-12-06 CN CN201911241920.1A patent/CN111130477B/zh active Active
Patent Citations (3)
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