CN111294051B - 一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路，包括可编程增益放大器和前馈线路上的自动增益控制电路，输入信号经过上述自动调节增益放大电路处理后得到输出信号；上述自动增益控制电路由逐次逼近型模数转换器和数字逻辑电路串联而成；上述逐次逼近型模数转换器用于对输入信号进行采样、量化、编码输出数字信号；上述数字逻辑电路将上述逐次逼近型模数转换器输出的数字信号转化为N位输出增益控制信号S<0>、S<1>、……、S<N‑1>控制上述可编程增益放大器的增益。有益效果是功耗低、速度快、通用性强。

Description

一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路

【技术领域】

本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种基于逐次逼近型模数转换器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电路装置。由于信号本身以及在传输过程中受到各种因素的影响，传送到接收端的信号大小在很大范围内变化，当信号大于电路可承受范围时电路会被破坏，因此自动增益控制电路是十分重要的一个模块，在各种接收机、录音机、信号采集系统中应用广泛。自动增益控制电路会根据输入信号的大小相应地自动改变电路的增益，这样当输入信号变化很大时，输出端的电压基本不变或保持恒定，避免电压过大造成电路无法正常工作或硬件损坏。

自动增益控制电路的基本原理是先由控制电路产生一个随着输入电平变化的直流自动增益控制电路电压，利用此电压去改变被控制电路如可变增益放大器(VariableGain Amplifier，VGA)或是可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier，PGA)的增益，达到控制电路增益的效果。其中，可变增益放大器主要是通过改变电流大小、使用电控可变电阻作放大器负载、在放大器各级间插入电控衰减器等实现增益可变；而采用可编程增益放大器设计来取代传统可变增益放大器模块可以大大提高通用性和可调性，其放大倍数可以根据需要用数字信号进行控制。可编程增益放大器可通过数字逻辑模块甚至是软件控制来调节放大倍数，使模数转换器满量程信号达到均一化，因而大大提高测量精度。

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。其中，峰值检测电路是一个功耗较大的模块，一般来说，整个电路主要的静态功耗都会消耗在峰值检测电路中。自动增益控制电路的实现有反馈控制(如附图1基于反馈模式的自动调节增益放大电路结构示意图所示)、前馈控制(如附图2基于前馈模式的自动调节增益放大电路结构示意图所示)和混合控制三种。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；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。

【发明内容】

本发明的目的是，提供一种功耗低、速度快、通用性强的自动调节增益放大电路。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路，包括可编程增益放大器和前馈线路上的自动增益控制电路，输入信号经过上述自动调节增益放大电路处理后得到输出信号；上述自动增益控制电路由逐次逼近型模数转换器和数字逻辑电路串联而成；上述逐次逼近型模数转换器用于对输入信号进行采样、量化、编码输出数字信号；上述数字逻辑电路将上述逐次逼近型模数转换器输出的数字信号转化为N位输出增益控制信号S<0>、S<1>、……、S<N-1>控制上述可编程增益放大器的增益。

优选地，上述输入信号为差分输入、上述输出信号为差分输出；或者上述输入信号为单端输入、上述输出信号为单端输出。

进一步的优选技术方案，上述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；上述全差分放大器的正输入端、负输入端分别串联有一个电容值大小相等的输入耦合电容；上述比例电容阵列用于控制可编程增益放大器的增益大小，包括第一比例电容阵列和第二比例电容阵列，上述第一比例电容阵列并联在全差分放大器的负输入端和正输出端之间，上述第二比例电容阵列并联在全差分放大器的正输入端和负输出端之间，上述第一比例电容阵列和第二比例电容阵列的电容值大小对称相等；上述跨接电阻用于提供直流电平给输入信号，包括两个负反馈电阻，其中一个负反馈电阻并联在全差分放大器的负输入端和正输出端之间，另一个负反馈电阻并联在全差分放大器的正输入端和负输出端之间；上述置位开关用于泄放比例电容阵列初始状态下多余的电容载荷，上述置位开关包括第1对置位开关、第2对置位开关、……第N对置位开关，分别由自动增益控制电路提供的N位输出增益控制信号S<0>、S<1>、……、S<N-1>来控制，通过置位开关的打开与关闭来控制比例电容阵列的电容载荷大小，从而控制上可编程增益放大器的增益大小。

优选地，输入信号经过频谱搬移、低通滤波器、低噪声仪表放大器的前期处理后进入上自动调节增益放大电路。

优选地，上述自动调节增益放大电路应用于生物电阻抗断层成像的信号处理。

本发明首次将逐次逼近型模数转换器用于自动增益控制电路中，并结合一些数字逻辑控制电路，取代了传统的峰值检测电路进行信号幅度的检测、配合可编程增益放大器单元的工作。本发明有以下有益效果：1.应用逐次逼近型模拟数字转换器来进行幅度检测，相比传统的峰值检测电路功耗更低；相比其他结构的模拟数字转换器，逐次逼近型模拟数字转换器也具有功耗低、尺寸小、分辨率高等优势，能更好地适应一些便携式设备的需求；2.前馈线路可以支持更高的数据处理速度；3.用数字编码来做可编程增益放大器的控制逻辑，混合信号的设计方式使得本发明具有更好的通用性，便于开发改进。

【附图说明】

图1是基于反馈模式的自动调节增益放大电路结构示意图；

图2是基于前馈模式的自动调节增益放大电路结构示意图；

图3是一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路结构示意图；

图4是一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路可编程增益放大器结构示意图；

图5是用于肺部电阻抗断层成像的一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路结构示意图。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：1、可编程增益放大器，11、全差分放大器，12、比例电容阵列，13、跨接电阻，14、置位开关，2、自动增益放大电路，21、逐次逼近型模数转换器，22、数字逻辑电路，3、频谱搬移电路，4、低通滤波器、5、低噪声仪表放大器。

【具体实施方式】

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。

实施例1

本实施例实现一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路。本实施例主要涉及一个基于逐次逼近型模拟数字转换器(Successive Approximation RegisterAnalog to Digital Converter，SAR ADC)进行幅度检测、构成自动增益控制(AutomaticGain Controller，AGC)主要功能的自动调节增益放大电路，可应用于便携式生物电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)等不同系统的信号处理。

附图3是一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路结构示意图。如附图3所示一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路，包括可编程增益放大器1和前馈线路上的自动增益控制电路2，输入信号经过上述自动调节增益放大电路处理后得到输出信号；上述自动增益控制电路2由逐次逼近型模数转换器21和数字逻辑电路22串联而成；上述逐次逼近型模数转换器21用于对输入信号进行采样、量化、编码输出数字信号；上述数字逻辑电路22将上述逐次逼近型模数转换器21输出的数字信号转化为N位输出增益控制信号S<0>、S<1>、……、S<N-1>控制上述可编程增益放大器1的增益。

和采样模数转换器(Delta-Sigma ADC)、流水线型模数转换器(Pipeline ADC)等其他结构的模拟数字转换器相比，逐次逼近型模数转换器21具有结构简单、功耗低、易于集成等优点，使得该设计更加适用于以便携性、低功耗为设计目标的各类系统的信号处理。

当采集到的输入信号(假设为近似正弦波)幅值变化时，逐次逼近型模数转换器21开始工作，将信号的幅值变化范围由数字编码的形式(位数可调)传出，经过自动增益控制电路2中数字逻辑电路22的处理，转化为N位的增益控制信号S<N-1:0>传送给可编程增益放大器1。自动增益控制电路2作为一个前馈通路，工作时长至少覆盖一个信号周期。由此，可编程增益放大器1可以得到该信号的幅度大小，确定其所需的放大倍数，并进行放大。

优选地，上述输入信号为差分输入、上述输出信号为差分输出；或者上述输入信号为单端输入、上述输出信号为单端输出。附图3中信号为差分输入差分输出，仅为示意，本实施例也可用于单端信号的处理，在实际应用时可以灵活调整。

附图4是一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路可编程增益放大器结构示意图。如图4所示进一步的优选技术方案，上述可编程增益放大器1包括全差分放大器11、比例电容阵列12、跨接电阻13和置位开关14；上述全差分放大器11的正输入端、负输入端分别串联有一个电容值大小相等的输入耦合电容；上述比例电容阵列12用于控制可编程增益放大器1的增益大小，包括第一比例电容阵列和第二比例电容阵列，上述第一比例电容阵列并联在全差分放大器11的负输入端和正输出端之间，上述第二比例电容阵列并联在全差分放大器11的正输入端和负输出端之间，上述第一比例电容阵列和第二比例电容阵列的电容值大小对称相等；上述跨接电阻用于提供直流电平给输入信号，包括两个负反馈电阻，其中一个负反馈电阻并联在全差分放大器的负输入端和正输出端之间，另一个负反馈电阻并联在全差分放大器的正输入端和负输出端之间；上述置位开关14用于泄放比例电容阵列12初始状态下多余的电容载荷，上述置位开关14包括第1对置位开关、第2对置位开关、……第N对置位开关，分别由自动增益控制电路2提供的N位输出增益控制信号S<0>、S<1>、……、S<N-1>来控制，通过置位开关14的打开与关闭来控制比例电容阵列12的电容载荷大小，从而控制上述可编程增益放大器1的增益大小。

具体地，可编程增益放大器1结构上包括：全差分放大器11、比例电容阵列12、跨接电阻13和置位开关14等几个组成部分。

可编程增益放大器1采用电容耦合放大结构。全差分放大器11的正输入端VIP串联有一个输入耦合电容Cpc，负输入端VIN串联有一个完全相同的输入耦合电容Cnc，其中Cpc＝Cnc。

上述比例电容阵列12用来决定可编程增益放大器1的增益大小。比例电容阵列12除输入耦合电容Cpc和Cnc外分为完全相同的两组电容：Cp0、Cp1、……、CpN(第一组)；Cn0、Cn1、……、CnN(第二组)。第一组中各电容并联在全差分放大器11的负输入端VIN和正输出端VOUTP之间；第二组中各电容并联在全差分放大器11的正输入端VIP和负输出端VOUTN之间。在可编程增益放大器1中，比例电容的关系保证对称，即Cpc＝Cnc、Cp0＝Cn0、Cp1＝Cn1、……、CpN＝CnN。

上述跨接电阻13，用来提供输入信号的直流电平，结构上包括两个电阻Rp和Rn。其中，Rp并联在全差分放大器11的负输入端VIN和正输出端VOUTP之间，Rn并联在全差分放大器11的正输入端VIP和负输出端VOUTN之间。

上述置位开关14，用来泄放初始状态下电容阵列多余的电荷。上述置位开关14结构上包括：N对置位开关，分别由N个信号S<0>、S<1>、……、S<N-1>来控制；其中控制信号是由自动增益控制电路2提供的(如附图3所示)。通过置位开关14的打开与关闭来控制比例电容的并联值，可以控制上述可编程增益放大器1的增益大小。

实施例2

本实施例实现一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路。本实施例的自动调节增益放大电路主要应用于生物电阻抗断层成像的信号处理。生物电阻抗断层成像技术是根据人体内不同组织具有不同电导率这一物理原理，通过给人体注入安全电流，测量相应体表的电位信息，来重建人体内部的电阻率分布或其变化的图像，它是一种能够反映生物体内部结构及组织器官功能的新颖医学影像技术。在EIT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EIT系统前端读取电路中通常会采用自动调节增益放大电路。对于幅值较小的信号来说，放大器的增益较高；对于幅值较大的信号来说，放大器的增益较低。这样一来，就可以大大地提高信号的读取范围。

附图5是用于肺部电阻抗断层成像的一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路结构示意图。如附图5所示一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路，输入信号经过频谱搬移3、低通滤波器4、低噪声仪表放大器5的前期处理后进入上述实施例1的自动调节增益放大电路。输入信号VIP，VIN通过频谱搬移3、低通滤波器4、低噪声仪表放大器5等的前期处理，信号进入该自动调节增益放大电路，经过分级的放大后，再进行后续的分析；在本应用中，输出端OUTP，OUTN的信号被转换成数字信号，后续通过算法分析，从而还原肺部的阻抗图。

在本实施例中，一个逼近式模拟数字转换器用于检测信号幅值，依据其输出产生可编程增益放大器的控制信号，给信号匹配合适的增益并加以放大，使得放大后信号可读性大大提高，方便后续的数据处理与分析。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路，包括可编程增益放大器（1）和前馈线路上的自动增益控制电路（2），输入信号经过所述自动调节增益放大电路处理后得到输出信号，其特征在于：所述自动增益控制电路（2）由逐次逼近型模数转换器（21）和数字逻辑电路（22）串联而成；所述逐次逼近型模数转换器（21）用于对输入信号进行采样、量化、编码输出数字信号；所述数字逻辑电路（22）将所述逐次逼近型模数转换器（21）输出的数字信号转化为N位输出增益控制信号S<0>、S<1>、……、S<N-1>控制所述可编程增益放大器（1）的增益；

所述可编程增益放大器（1）包括全差分放大器（11）、比例电容阵列（12）、跨接电阻（13）和置位开关（14）；所述全差分放大器（11）的正输入端、负输入端分别串联有一个电容值大小相等的输入耦合电容；所述比例电容阵列（12）用于控制可编程增益放大器（1）的增益大小，包括第一比例电容阵列和第二比例电容阵列，所述第一比例电容阵列并联在全差分放大器（11）的负输入端和正输出端之间，所述第二比例电容阵列并联在全差分放大器（11）的正输入端和负输出端之间，所述第一比例电容阵列和第二比例电容阵列的电容值大小对称相等；所述跨接电阻（13）用于提供直流电平给输入信号，包括两个负反馈电阻，其中一个负反馈电阻并联在全差分放大器（11）的负输入端和正输出端之间，另一个负反馈电阻并联在全差分放大器（11）的正输入端和负输出端之间；所述置位开关（14）用于泄放比例电容阵列（12）初始状态下多余的电容载荷，所述置位开关（14）包括第1对置位开关、第2对置位开关、……第N对置位开关，分别由自动增益控制电路（2）提供的N位输出增益控制信号S<0>、S<1>、……、S<N-1>来控制，通过置位开关（14）的打开与关闭来控制比例电容阵列（12）的电容载荷大小，从而控制所述可编程增益放大器（1）的增益大小。

2.根据权利要求1所述的一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路，其特征在于：所述输入信号为差分输入、所述输出信号为差分输出；或者所述输入信号为单端输入、所述输出信号为单端输出。

3.根据权利要求1所述的一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路，其特征在于：输入信号经过频谱搬移（3）、低通滤波器（4）、低噪声仪表放大器（5）的前期处理后进入所述自动调节增益放大电路。

4.根据权利要求3所述的一种基于逐次逼近型模数转换器的自动调节增益放大电路，其特征在于：所述自动调节增益放大电路应用于生物电阻抗断层成像的信号处理。

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