CN113794455A - 用于水听器的自动增益控制电路及水听器 - Google Patents
用于水听器的自动增益控制电路及水听器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于水听器的自动增益控制电路及具有其的水听器，其中自动增益控制电路包括可变增益放大器、峰峰值检测电路、积分器和限幅电路。其中可变增益放大器的输入端接入水声信号，可变增益放大器的输出端连接峰峰值检测电路的输入端，峰峰值检测电路的输出端依次通过积分器及限幅电路反馈至可变增益放大器的控制端。根据上述技术方案的自动增益控制电路，通过闭环的自动增益控制电路，能提供较大的增益可调范围的同时保持较好的线性度，扩展了水听器的动态范围。
Description
技术领域
本发明涉及水声电子通讯领域，特别涉及一种用于水听器的自动增益控制电路及水听器。
背景技术
在传统的水声通信系统中，水听器将接收到的声信号转换为电信号，后接水声通信接收机对水声信号进行预处理。目前，比较先进的水听器自带前端低噪声放大器和带通滤波器，因此无需水声通信接收机。但是，该水听器具有以下两个缺陷：1)水听器中的自动增益控制电路要么其所能提供的增益可调范围较小，要么在增益变化幅度较大时其线性度较差，导致输入水声信号过大时容易失真，输入水声信号过小时又难以检测，即动态范围较小；2)现有的自动增益控制电路响应速度慢、纹波噪声大，拖累了水听器的检测功能，使其难以符合高速、高质量的通信要求。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提出一种用于水听器的自动增益控制电路，具有更快的响应速度、更大的增益可调范围及更好的线性度，扩展了水听器的动态范围
本发明的另一目的是提出一种具有上述自动增益控制电路的水听器，可以提高水声通信质量和通信速度。
技术方案：本发明所述的自动增益放大电路，包括：可变增益放大器、峰峰值检测电路、积分器和限幅电路，所述可变增益放大器的输入端接入水声信号，所述可变增益放大器的输出端连接峰峰值检测电路的输入端，所述峰峰值检测电路的输出端依次通过所述积分器及所述限幅电路反馈至所述可变增益放大器的控制端。
进一步的，所述峰峰值检测电路包括峰值检测器正、峰值检测器负、缓冲器正、缓冲器负及减法器，所述峰值检测器正的输入端连接所述可变增益放大器的同相输出端，所述峰值检测器正的输出端通过所述缓冲器正连接所述减法器的输入端，所述峰值检测器负的输入端连接所述可变增益放大器的反相输出端，所述峰值检测器负的输出端通过所述缓冲器负连接所述减法器的输入端，所述减法器的输出端连接所述积分器。
进一步的，所述限幅电路包括比较器、第一传输门和第二传输门，所述第一传输门的输入端与所述积分器连接，所述第一传输门的输出端与所述可变增益放大器的控制端连接，所述积分器的输出端还依次通过所述比较器及所述第二传输门与所述可变增益放大器的控制端电性连接。
进一步的，所述可变增益放大器包括第一差分放大电路，以及与所述第一差分放大电路连接的分流电路及共模反馈电路，所述第一差分放大电路的同相输入端及反相输入端分别连接水声信号的正极及负极，所述第一差分放大电路的同相输出端及反相输出端分别连接所述峰峰值检测电路的同相输入端及反相输入端，所述第一差分放大电路的共源共栅管的源极作为所述可变增益放大器的控制端与所述限幅电路的输出端连接。
进一步的，所述峰值检测器正和所述峰值检测器负均包括若干场效应管开关、反馈运算放大电路、保持电容及电流源，所述反馈放大电路的同相输入端和反相输入端分别与所述可变增益放大电路的同相输出端和反相输出端电性连接，所述保持电容分别通过所述场效应管与所述反馈运算放大电路的输出端电性连接，所述电流源并联于所述保持电容的两端。
进一步的，所述缓冲器正和缓冲器负均为由运算放大器构成的电压缓冲器，所述减法器为由运算放大器及电阻构成的反相比例运算电路，所述积分器为运算放大器和电阻电容构成的反相积分运算电路。
进一步的，所述比较器为开环运算放大器。
进一步的，所述第一传输门及第二传输门均为由NMOS管和PMOS管组成的MOS管开关，所述NMOS管与所述PMOS管的源极与漏极互相并联。
进一步的，所述缓冲器正、缓冲器负、减法器和积分器采用的运算放大器均为带有密勒补偿电容的两级差分放大器，其中第一级为五管放大器，第二级为共源放大器。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)通过闭环的自动增益控制电路，能提供较大的增益可调范围，线性度较好，扩展了水听器的动态范围。(2)具有较快的速度和较小的纹波，通过采用峰值检测器的保持电容、放电电流源和积分器的组合实现电流可控、速度可调、纹波可消除。
附图说明
图1为本发明的实施例的自动增益控制电路的系统框图；
图2为本发明的实施例的自动增益控制电路的原理图；
图3为本发明的实施例的可变增益放大器的原理图；
图4为本发明的实施例的峰值检测器正的原理图；
图5为本发明的实施例的运算放大器A1至A4的原理图；
图6为本发明的实施例的运算放大器A5的原理图；
图7为本发明的实施例的自动增益控制电路的增益范围示意图；
图8为本发明的实施例的自动增益控制电路的幅频特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参照图1，根据本发明实施例的自动增益控制电路，包括可变增益放大器10、峰峰值检测电路20、积分器30和限幅电路40电路，可变增益放大器10的输入端接入水声差分信号，可变增益放大器10的输出端连接峰峰值检测电路20的输入端，峰峰值检测电路20的输出端依次通过积分器30及限幅电路40反馈至可变增益放大器10的控制端。其中可变增益放大器10的可以为压控放大器，峰峰值检测电路20、积分器30和限幅电路40依次构成级联反馈环路，将水声信号的峰峰值作为控制电压供给可变增益放大器10，实现对可变增益放大器10的增益的动态调整。积分器30可以滤除峰峰值检测电路20的纹波并实现环路的负反馈机制，限幅电路40限制可变增益放大器10的输出上限和下限，防止可变增益放大器10产生过低的增益导致系统关闭。根据上述技术方案的自动增益控制电路，通过闭环实现较大的增益可调范围的同时，还能保持较好的线性度，可以有效扩展具有其的水听器的动态范围，同时具有较快的响应速度和较小的纹波。
参照图1，其中峰峰值检测电路20包括峰值检测器正210、峰值检测器负220、缓冲器正230、缓冲器负240及减法器250。峰值检测器正210用于检测水声信号的峰值，峰值检测器正210的输入端连接可变增益放大器10的同相输出端，峰值检测器增的输出端通过缓冲器正230连接减法器250的输入端。峰值检测器负220用于检测水声信号的谷值，峰值检测器负220的输出端连接可变增益放大器10的反相输出端，峰值检测器负220的输出端通过缓冲器负240连接减法器250的输入端，减法器250的输出端连接积分器30。其中缓冲器正230及缓冲器负240分别用于隔离峰值检测器正210及峰值检测器负220的保持电容、和减法器250的反馈电阻，实现阻抗匹配，减法器250用于将峰值检测器正210输出的峰值与峰值检测器负220输出的谷值相减得到水声信号的峰峰值。
参照图1，其中限幅电路40包括比较器410、第一传输门430和第二传输门420。第一传输门430的输入端与积分器30连接，第一传输门430的输出端与可变增益放大器10的控制端连接，积分器30的输出端还依次通过比较器410及第二传输门420与可变增益放大器10的控制端连接。
参照图3，在本实施例中，可变增益放大器10包括第一差分放大电路，以及与第一差分放大电路连接的分流电路及共模反馈电路。第一差分放大电路的同相输入端及反相输入端分别连接水声信号的正极及负极，第一差分放大电路的同相输出端及反相输出端分别连接峰峰值检测电路20的同相输入端及反相输入端，第一差分放大电路的共源共栅管的源极作为可变增益放大器10的控制端与限幅电路40的输出端连接。第一差分放大电路用于提供增益，增益的大小为输入管的跨到和差分输出端的输出阻抗的乘积。分流电路和共模反馈电路均为一种比较器，分流电路用于重新分配放大电路的尾电流源的电流，共模反馈电路直接从差分输出端检测输出的共模电压，并将其与预设的共模电压比较，使其等于预设的共模电压，从而稳定输出共模电压。控制电压影响共源共栅管的源极电压，压迫输入管的漏极电压，使其进入饱和区或线性区。正增益时，第一差分放大电路的输入管工作在饱和区，总负载电流保持不变，但分流电路根据控制电压和预设共模电压的差值重新分配两条支路电流，再将这两条电流通过一系列电流镜拷贝至放大电路的两条差分支路，改变电流来改变输入管的跨导，从而改变增益。负增益时，放大电路的输入管工作在线性区，控制电压影响共源共栅管的源极电压，压迫输入管的漏极电压，改变输入管的漏源阻抗，从而改变差分输出端的输出阻抗，从而改变增益。
参照图3，具体的，第一差分放大电路包括场效应管M1001至M1008，分流电路包括场效应管M1009至M1023，共模反馈电路包括场效应管M1024至M1029。差分信号的同相输入端接输入管M1003的栅极，反相输入端接输入管M1004的栅极。水声差分信号的同相输出端接电流源M1007的漏极、共源共栅管M1005的漏极，反相输出端接电流源M1008的漏极、共源共栅管M1006的漏极。控制电压Vc接压降管M1021的栅极、共源共栅管M1005、M1006的栅极。
放大电路的尾电流源M1001的源极接VSS，尾电流源M1001的栅极与场效应管M1019的栅极、场效应管M1017的漏极和电阻R101的下端相连，尾电流源M1001的漏极与共源共栅管M1002的源极相连，共源共栅管M1002的栅极与场效应管M1017的栅极、分流电路M1015的漏极和电阻R101的上端相连。共源共栅管M1002的漏极与输入管M1003的源极、M1004的源极相连，输入管M1003的栅极接同相输入信号Vi+，输入管M1004的栅极接反相输入信号Vi-，输入管M1003的漏极与共源共栅管M1005的源极和电流镜M1009的漏极相连，输入管M1004的漏极与共源共栅管M1006的源极和电流镜M1011的漏极相连，共源共栅管M1005的栅极与共源共栅管M1006的栅极和压降管M1021的栅极相连，并连接控制电压Vc。共源共栅管M1005的漏极与电流源M1007的漏极和共模反馈的电阻R103的上端相连，并连接同相输出信号Vo+，共源共栅管M1006的漏极与电流源M1008的漏极及电阻R104的下端相连，并连接反相输出信号Vo-。电流源M1007的栅极与电流源M1008的栅极、共模反馈电路的电流镜M1029的栅极、漏极和比较器M1027的漏极相连，电流源M1007的源极接VDD，电流源M1008的源极接VDD。电流镜M1009的栅极与电流镜M1011的栅极、分流器M1016的漏极、场效应管M1018的栅极和电阻R102的上端相连，电流镜M1009的源极与电流镜M1010的漏极相连，电流镜M1010的栅极与电流镜M1012的栅极、场效应管M1020的栅极、场效应管M1018的漏极和电阻R102的下端相连。电流镜M1010的源极接VSS，电流镜M1011的源极与电流镜M1012的漏极相连，电流镜M1012的源极接VSS，分流器的总电流源M1013的漏极接VDD，总电流源M1013的栅极接固定偏置电压VBP，总电流源M1013的漏极与共源共栅管M1014的源极相连，共源共栅管M1014的栅极接固定偏置电压VBPC。共源共栅管M1014的漏极与分流器M1015的源极、M1016的源极相连，分流器M1015的栅极与共模反馈的共源共栅管M1022的栅极、M1025的栅极相连，并连接固定偏置电压VBNC。分流器M1016的栅极与压降管M1021的源极和共源共栅管M1022的漏极相连，场效应管M1017的源极与场效应管M1019的漏极相连，场效应管M1018的源极与场效应管M1020的漏极相连，场效应管M1019的源极接VSS，场效应管M1020的源极接VSS，压降管M1021的漏极接VDD。共源共栅管M1022的源极与电流源M1023的漏极相连，电流源M1023的栅极与电流源M1024的栅极相连，并连接固定偏置电压VBN。电流源M1023的源极接VSS，电流源M1024的源极接VSS，电流源M1024的漏极与共源共栅管M1025的源极相连，共源共栅管M1025的漏极与比较器M1026的源极、M1027的源极相连。比较器M1026的栅极与R103的下端、R104的上端相连，比较器M1026的漏极与电流镜M1028的栅极、漏极相连，比较器M1027的栅极接预设的共模输出电压VCM，电流镜M1028的源极接VDD，电流镜M1029的源极接VDD。
参照图4，峰值检测器正210与峰值检测器负220的具体结构基本相同，均包括若干二极管开关、反馈运算放大电路、保持电容及电流源。反馈放大电路的同相输入端和反相输入端分别与可变增益放大电路的同相输出端和反相输出端电性连接，保持电容分别通过二极管与反馈运算放大电路的输出端电性连接，电流源并联于保持电容的两端。二极管开关通过电流镜实现，用于控制反馈运算放大电路的激励端和被动端之间的通断。反馈运算放大电路由差分放大电路构成，用于解决二极管上的压降难以检测和二极管正向偏置时输入阻抗过低的问题。保持电容用于充放电，当输入信号大于峰值电压时，二极管导通，额外的电流通过电流镜对保持电容进行充电；当输入信号小于峰值电压时，二极管截止，保持电容保持当前电压值并输出。放电电流源用于对保持电容快速放电，保持电容将迅速置零复位以立即迎接下一个峰值点，从而使得输出峰值电压能实时地跟踪输入信号的快速变化。
具体的，偏置电流镜M20101的漏极与栅极、放大电路的尾电流源M20102的栅极和M20103的栅极相连，并连接偏置电流IB。电流镜M20101的源极接VSS，第二差分放大电路的尾电流源M20102的源极接VSS，尾电流源M20102的漏极与主运放输入管M20104的源极和反相输入管M20106的源极相连。尾电流源M20103的源极接VSS，尾电流源M20103的漏极与第二差分放大电路的输入管M20107的源极及反相输入管M20105的源极相连，输入管M20104的栅极接同相输入信号Vi+，输入管M20105的栅极接反相输入信号Vi-。输入管M20104的漏极与电流源M20108的漏极、二极管M20112的漏极、栅极以及电流镜M20114的栅极相连，输入管M20105的漏极与电流源M20109的漏极、二极管M20113的漏极、栅极以及电流镜M20115的栅极相连。放大电路的反相输入端M20106的栅极与其反相输入端M20107的栅极、电流镜M20114的漏极、电流镜M20115的漏极、保持电容C2011的上端及放电电流源I2011的上端相连，并连接输出信号Vo。放大电路的反相输入端M20106的漏极与电流源M20108的栅极、电流镜M20110的漏极及栅极相连，放大电路的反相输入端M20107的漏极与电流源M20109的栅极、电流镜M20111的漏极以及栅极相连。电流源M20108的源极、电流源M20109的源极、电流镜M20110的源极、电流镜M20111的源极、二极管M20112的源极、二极管M20113的源极、电流镜M20114的源极和电流镜M20115的源极均连接VDD。保持电容C2011的下端接VSS，放电电流源I2011的下端接VSS。
参照图2，在本实施例中，缓冲器正230和缓冲器负240分别为由运算放大器A1和A2构成的电压缓冲器，增益为单位增益，减法器250为由运算放大器A3和若干电阻构成的反相比例运算电路，输出电压与运算放大器A3的同相输入端和反向输入端的电压差值成正比。积分器30为运算放大器A4和电阻电容构成的反相积分运算电路，对输入信号进行时间常数为RC的时域积分。比较器410为开环运算放大器A5，钳制允许通过的最低控制电压并产生控制传输门开关的使能信号。第一传输门430和第二传输门420均为由NMOS管和PMOS管的源极与漏极互相并联的MOS管开关，通过栅极的使能信号控制通断，打开或关闭不同的信号通路。
在本实施例中，缓冲器正230、缓冲器负240、减法器250和积分器30所采用的运算放大器A1至A4均为带密勒补偿电容的两级差分放大器，如图5所示，第一级为五管放大器，包括场效应管M5001至M5008，可以提供更高的增益，第二级为共源放大器，包括场效应管M5009至M5010，能够提供更大的摆幅，密勒补偿电容C501跨接第一级的输出端和第二级的输出端之间，提高运算放大器的稳定性。
参照图6，具体的，开环运算放大器A5也为两级放大器，第一级为五管放大器，包括场效应管M60101至M60108，第二级为共源放大器，包括场效应管M60109至M60110。共源放大器后还接有两个反相器，两个反向器包括场效应管M60111至M60114，用于对输出的高低电平进行整形。由于开环结构本身稳定，因此不需要密勒补偿。
参照图7所示，根据本发明实施例的自动增益控制电路的增益范围最低增益可达-170dB，其中在-36dB至36dB区间内线性度良好，可以通过限幅电路40将增益可调范围限制在该区间内。不同增益下的幅频特性曲线如图8所示。
根据本发明实施例的自动增益控制电路的增益表达式为：
Av＝gm·ro (1)
式中，Av为电压增益，gm为输入管M1003和M1004的跨导，ro为差分输出端Vo+和Vo-的输出阻抗。
VDS＞VGS-VTH,VGS＞VTH (2)
ID＝I/2±gm·(VC-VGS0-VBNC) (4)
当满足公式(2)时，即正增益时，输入管工作在饱和区，通过改变负载电流来改变输入管的跨导，从而改变增益。其中VDS为输入管M1003和M1004的漏源电压，VTH为输入管M1003和M1004的阈值电压，ID为输入管M1003和M1004的漏极电流，I为分流器的尾电流源M1013和M1014的总负载电流，VC为反馈环路产生的控制电压，VGS0为压降管M1021的栅源电压，VBNC为分流电路的比较器M1015的栅极电压。
VDS＜VGS-VTH,VGS＞VTH (5)
ro＝rDS1//(gm2·rDS2·rDS3+rDS4) (6)
ro＜1/gm,Av＝gm·ro＜1 (7)
当满足公式(5)时，即负增益时，输入管工作在线性区，通过改变输出阻抗来改变增益。其中，VGS为输入管M1003和M1004的栅源电压，rDS1为电流源M1007和M1008的漏源电阻，理想情况下为无穷大，gm2为共源共栅管M1005和M1006的跨导，rDS2为共源共栅管M1005和M1006的漏源电阻，rDS3为输入管M1003和M1004的漏源电阻，rDS4为尾电流源M1003和M1002的漏源电阻，理想情况下为无穷大。ro为输出阻抗，Av为电压增益，μn为输入管M1003和M1004的电子迁移率，Cox为输入管M1003和M1004的单位面积栅氧化电容，W/L为输入管M1003和M1004的宽长比。
在本实施例中，自动增益控制电路采用SMIC 0.18μm CMOS工艺制造。根据本发明实施例的水听器，具有上述自动增益控制电路，水听器将接收到的声音信号转化为差分电信号，并通过上述自动增益控制电路放大，输出给后级ADC及计算机进行分析，噪声低、功耗低、响应速度快且增益可调范围大的同时具有较好的线性度，扩展了水听器的动态范围。
Claims (10)
1.一种用于水听器的自动增益控制电路，其特征在于，包括：可变增益放大器(10)、峰峰值检测电路(20)、积分器(30)和限幅电路(40)，所述可变增益放大器(10)的输入端接入水声信号，所述可变增益放大器(10)的输出端连接峰峰值检测电路(20)的输入端，所述峰峰值检测电路(20)的输出端依次通过所述积分器(30)及所述限幅电路(40)反馈至所述可变增益放大器(10)的控制端。
2.根据权利要求1所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述峰峰值检测电路(20)包括峰值检测器正(210)、峰值检测器负(220)、缓冲器正(230)、缓冲器负(240)及减法器(250)，所述峰值检测器正(210)的输入端连接所述可变增益放大器(10)的同相输出端，所述峰值检测器正(210)的输出端通过所述缓冲器正(230)连接所述减法器(250)的输入端，所述峰值检测器负(220)的输入端连接所述可变增益放大器(10)的反相输出端，所述峰值检测器负(220)的输出端通过所述缓冲器负(240)连接所述减法器(250)的输入端，所述减法器(250)的输出端连接所述积分器(30)。
3.根据权利要求1所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述限幅电路(40)包括比较器(410)、第一传输门(430)和第二传输门(420)，所述第一传输门(430)的输入端与所述积分器(30)连接，所述第一传输门(430)的输出端与所述可变增益放大器(10)的控制端连接，所述积分器(30)的输出端还依次通过所述比较器(410)及所述第二传输门(420)与所述可变增益放大器(10)的控制端连接。
4.根据权利要求1所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述可变增益放大器(10)包括第一差分放大电路，以及与所述第一差分放大电路连接的分流电路及共模反馈电路，所述第一差分放大电路的同相输入端及反相输入端分别连接水声信号的正极及负极，所述第一差分放大电路的同相输出端及反相输出端分别连接所述峰峰值检测电路(20)的同相输入端及反相输入端，所述第一差分放大电路的共源共栅管的源极作为所述可变增益放大器(10)的控制端与所述限幅电路(40)的输出端电性连接。
5.根据权利要求2所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述峰值检测器正(210)和所述峰值检测器负(220)均包括若干场效应管开关、反馈运算放大电路、保持电容及电流源，所述反馈放大电路的同相输入端和反相输入端分别与所述可变增益放大电路的同相输出端和反相输出端电性连接，所述保持电容分别通过所述场效应管与所述反馈运算放大电路的输出端电性连接，所述电流源并联于所述保持电容的两端。
6.根据权利要求2所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述缓冲器正(230)和缓冲器负(240)均为由运算放大器构成的电压缓冲器，所述减法器(250)为由运算放大器及电阻构成的反相比例运算电路，所述积分器(30)为运算放大器和电阻电容构成的反相积分运算电路。
7.根据权利要求3所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述比较器(410)为开环运算放大器。
8.根据权利要求3所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述第一传输门(430)及所述第二传输门(420)均为由NMOS管和PMOS管组成的MOS管开关，所述NMOS管与所述PMOS管的源极与漏极互相并联。
9.根据权利要求6所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述缓冲器正(230)、缓冲器负(240)、减法器(250)和积分器(30)采用的运算放大器均为带有密勒补偿电容的两级差分放大器，其中第一级为五管放大器，第二级为共源放大器。
10.一种水听器，其特征在于，包括根据权利要求1至9任一项所述的自动增益控制电路。
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