CN117955439A - 一种可变增益放大器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种可变增益放大器，包括第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、切换开关元件和增益可变的差分放大电路。第一信号输入端与差分放大电路的第一放大输入端连接；切换开关元件设置有第一切换输入端、第二切换输入端和切换输出端；第二信号输入端与第一切换输入端连接，第三信号输入端与第二切换输入端连接，且用于接收一个共模电平信号。本申请中能够通过切换控制信号将切换输出端仅与第一切换输入端或仅与第二切换输入端的连通，使得该可变增益放大器能够实现在差分放大功能与单端放大功能之间的切换，这样，在信号放大电路中仅设置这一种放大器即可实现对两种信号的放大，从而降低了信号放大电路的开发成本。

Description

一种可变增益放大器

技术领域

本申请涉及信号处理技术领域，更具体地说，涉及一种可变增益放大器。

背景技术

在用于对多种传感器的输出信号进行处理的信号处理电路中，需要对不同种类传感器的输出信号进行放大处理，有的传感器的输出信号为差分信号，如霍尔传感器，有的传感器的输出信号的为单端信号，如隧道磁阻传感器，这就要求在信号处理电路中配置多种信号放大器，从而导致信号处理电路的电路结构复杂，增大了其开发成本。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种可变增益放大器，用于满足对不同输入信号的放大需求，以降低信号处理电路的开发成本。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种可变增益放大器，应用于信号处理电路，所述可变增益放大器包括第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、切换开关元件和增益可变的差分放大电路，其中：

所述第一信号输入端与所述差分放大电路的第一放大输入端连接；

所述切换开关元件设置有第一切换输入端、第二切换输入端和切换输出端，所述第一切换输入端与所述第二信号输入端连接，所述第二切换输入端与所述第三信号输入端连接，所述切换输出端与所述差分放大电路的第二放大输入端连接，所述切换输出端被配置为基于切换控制信号分别与所述第一切换输入端或所述第二切换输入端导通；

当所述第一切换输入端与所述切换输出端被控制导通时，所述第一信号输入端和所述第二信号输入端用于接收差分信号；

当所述第二切换输入端与所述切换输出端被控制导通时，所述第一信号输入端用于接收单端信号，所述第三信号输入端用于接收共模电平信号。

可选的，所述切换开关元件包括第一开关元件和第二开关元件，其中：

所述第一开关元件的一端与所述第一切换输入端连接、另一端与所述切换输出端连接；

所述第二开关元件的一端与所述第二切换输入端连接、另一端与所述切换输出端连接。

可选的，所述第一开关元件为MOS元件或IGBT元件。

可选的，所述第二开关元件为MOS元件或IGBT元件。

可选的，所述差分放大电路为基于运算放大器的运算放大电路。

可选的，所述运算放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，其中：

所述运算放大器的输出端用于作为所述可变增益放大器的信号输出端；

所述第三电阻的一端与所述运算放大器的正向输入端连接、另一端用于作为所述第一放大输入端；

所述第四电阻的一端与所述正向输入端连接，另一端用于接收补偿电压；

所述第一电阻的一端分别与所述第二电阻的一端、所述运算放大器的反相输入端连接，所述第一电阻的另一端用于作为所述第二放大输入端；

所述第二电阻的另一端与所述运算放大器的输出端连接。

可选的，所述第一电阻的阻值与所述第三电阻的阻值相同，所述第二电阻的阻值与所述第四电阻的阻值相同。

可选的，所述第一电阻和所述第三电阻为可变电阻。

可选的，所述第二电阻和所述第四电阻为可变电阻。

可选的，还包括数模转换电路，其中：

所述数模转换电路的输出端与第四电阻的另一端连接，用于向所述第四电阻的另一端输出所述补偿电压。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开了一种可变增益放大器，包括第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、切换开关元件和增益可变的差分放大电路。第一信号输入端与差分放大电路的第一放大输入端连接；切换开关元件设置有第一切换输入端、第二切换输入端和切换输出端；第二信号输入端与第一切换输入端连接，第三信号输入端与第二切换输入端连接，且用于接收一个共模电平信号。本申请中能够通过切换控制信号将切换输出端仅与第一切换输入端或仅与第二切换输入端的连通，使得该可变增益放大器能够实现在差分放大功能与单端放大功能之间的切换，这样，在信号放大电路中仅设置这一种放大器即可实现对两种信号的放大，从而降低了信号放大电路的开发成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的一种可变增益放大器的电路图；

图2为本申请实施例的另一种可变增益放大器的电路图；

图3为本申请实施例的又一种可变增益放大器的电路图；

图4为本申请实施例的可变增益放大器的一种等效电路图；

图5为本申请实施例的可变增益放大器的另一种等效电路图；

图6为本申请实施例的又一种可变增益放大器的电路图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请提供了一种能够差分单端复用的可变增益放大器，该放大器应用于信号放大电路，这里的信号放大电路不仅能够用于对差分信号进行放大，还能够用于对单端信号进行放大。当信号放大电路对应多种信号源时，即对应差分信号源单端信号源时，仅用本申请中所提供的这一种放大器即可实现对两种信号的放大。下面内容为对该可变增益放大器的详细说明。

图1为本申请实施例的一种可变增益放大器的电路图。

如图1所示，本实施例所提供的可变增益放大器包括第一信号输入端101、第二信号输入端102、第三信号输入端103、信号输出端104、切换开关元件20和增益可变的差分放大电路10。。

该切换开关元件20设置有第一切换输入端21、第二切换输入端22和切换输出端23，该切换开关元件20的原理类似于单刀双掷开关，即能够通过切换控制信号的控制将切换输出端23仅与第一切换输入端21连接，或者将切换输出端仅与第二切换输入端22相连接，这两种连接关系互斥。

该第一信号输入端101与差分放大电路10的第一放大输入端11连接。第二信号输入端102与切换开关元件20的第一切换输入端21连接，第三信号输入端103与切换开关元件20的第二切换输入端22连接，该切换输出端23则与差分放大电路10的第二放大输入端12连接。

鉴于该切换开关20中的切换输出端23在切换控制信号的控制下仅与第一切换输入端21或仅与第二切换输入端22导通。在切换输出端23与第一切换输入端21导通时，本实施例中的第一信号输入端101与差分放大电路10的第一放大输入端11连接，第二信号输入端102与差分放大电路10的第二放大输入端12连接。此时，如果通过第一信号输入端11和第二信号输入端12输入一个差分信号，该差分信号则被加载到该差分放大电路，从而能够使得该差分信号被放大处理。

当该切换输出端23在切换控制信号的控制下与该第二切换输入端22导通时，该差分放大电路10的第二放大输入端12则与该第三信号输入端103连接。如果在第三信号输入端103加载一个共模电平信号V_CM，则能够使该共模电平信号V_CM被加载到差分放大电路的第二信号输入端12，该差分放大电路即成为一种单端放大电路。此时如果从第一信号输入端101输入一个单端信号，则能够对该单端信号实现放大，并将放大后的信号从信号输出端104输出。

从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种可变增益放大器，包括第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、切换开关元件和增益可变的差分放大电路。第一信号输入端与差分放大电路的第一放大输入端连接；切换开关元件设置有第一切换输入端、第二切换输入端和切换输出端；第二信号输入端与第一切换输入端连接，第三信号输入端与第二切换输入端连接，且用于接收一个共模电平信号。本申请中能够通过切换控制信号将切换输出端仅与第一切换输入端或仅与第二切换输入端的连通，使得该可变增益放大器能够实现在差分放大功能与单端放大功能之间的切换，这样，在信号放大电路中仅设置这一种放大器即可实现对两种信号的放大，从而降低了信号放大电路的开发成本。

在本申请的一个具体实施方式中，该切换开关元件20包括第一开关元件PG1和第二开关元件PG2，如图2所示。该第一开关元件PG1的一端与第一切换输入端21连接，或者说其本身构成第一切换输入端21；该第一开关元件PG1的另一端与切换输出端23连接，或者说其本身构成切换输出端23。该第二开关元件PG2的一端与第二切换输入端22连接，或者说其本身构成第二切换输入端22；该第二开关元件PG2的另一端与切换输出端23连接，或者说其本身构成切换输出端23。通过切换控制信号控制其中的一个开关元件关断、另一个开关元件导通，即可实现上述切换开关元件的功能。

本申请对差分放大带路的具体结构不做限定，只要是能够实现对差分信号进行放大处理的电路都能够满足本申请的要求，即都在本申请的保护范围之内。例如，可以基于运算放大器搭建差分放大电路，也可以基于多种分立管元件实现该差分放大电路的搭建。为了使得本领域技术人员能够方便实施本申请的技术方案，特提供如下差分放大器的具体结构。

在本申请的一个具体实施方式中，该增益可调的差分放大电路基于运算放大器OP搭建而成，该电路除运算放大器OP外还包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第四电阻r4，如图3所示。其中，运算放大器OP的输出端用于作为可变增益放大器的信号输出端104；第三电阻r3的一端与运算放大器OP的正向输入端连接、另一端则用于作为第一放大输入端；第四电阻r4的一端与运算放大器OP的正向输入端连接，另一端用于接收补偿电压V_DAC，补偿电压V_DAC用于补偿运算放大器的失调电压V_OS。

第一电阻r1的一端分别与第二电阻r2的一端、运算放大器OP的反相输入端连接，第一电阻r1的另一端用于作为该第二放大输入端12，第二电阻r2的另一端与该运算放大器OP的输出端连接。

本实施例中的第一电阻r1和第三电阻r3的阻值相同，均为R1，第二电阻r2和第四电阻r4的阻值相同，均为R2。且通过预先编程或者在运行过程中的程序驱动下，能够使四个电阻的阻值得到初始配置或调整，从而实现增益的可调。

当本申请中的第一开关元件PG1导通，第二开关元件PG2关断时，该可变增益放大器成为能够处理双端信号的差分放大器。当将差分信号V_P和V_N分别由第一信号输入端101和第二信号输入端102输入时，其等效电路如图4所示，考虑到运算放大器的失调电压，并由运算放大器的“虚短虚断”特性可以推导出如下公式：

由式(1)可知，差分信号V_P和V_N被放大了R2/R1倍，同时失调电压V_OS也被放大了R2/R1倍，但可以通过调节补偿电压V_DAC的电压值来抵消该失调电压，从中可以看出只需要改变R2与R1之间的比值即可控制可变增益放大器的差分增益。

当用来处理单端信号V_IN时，将第一开关元件PG1关断，将第二开关元件PG2导通，此时单端信号V_IN由正相输入端输入，运算放大器反相输入端接收一共模电平信号V_CM，其等效电路如图5所示，共模电平信号V_CM在小信号放大时可以等效为虚地。则考虑到运算放大器的失调电压，并且由其“虚短虚断”特性可以推导出如下公式：

从式(2)可以看出单端信号V_IN经由运算放大器后被放大了R2/R1倍，失调电压V_OS同样可以通过调节补偿电压V_DAC来抵消，所以使之能够实现对单端信号的放大和处理。

通过上述方案可以看出，通过对四个电阻r1、r2、r3和r4的阻值的调整，即可实现对该放大器的增益的调整，使之符合放大器的增益需求，从而使得其在实际应用中更为方便。

另外，在本申请的一个具体实施方式中，还包括数模转换电路30，如图6所示，该数模转换电路的输出端31用于输出上述补偿电压V_DAC，在需要对补偿电压V_DAC进行调整时，通过向数模转换电路中输入相应的数值，即可使其输出与运算放大器的失调电压相匹配的补偿电压V_DAC。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种可变增益放大器，应用于信号处理电路，其特征在于，所述可变增益放大器包括第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、切换开关元件和增益可变的差分放大电路，其中：

所述第一信号输入端与所述差分放大电路的第一放大输入端连接；

所述切换开关元件设置有第一切换输入端、第二切换输入端和切换输出端，所述第一切换输入端与所述第二信号输入端连接，所述第二切换输入端与所述第三信号输入端连接，所述切换输出端与所述差分放大电路的第二放大输入端连接，所述切换输出端被配置为基于切换控制信号分别与所述第一切换输入端或所述第二切换输入端导通；

当所述第一切换输入端与所述切换输出端被控制导通时，所述第一信号输入端和所述第二信号输入端用于接收差分信号；

当所述第二切换输入端与所述切换输出端被控制导通时，所述第一信号输入端用于接收单端信号，所述第三信号输入端用于接收共模电平信号。

2.如权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，所述切换开关元件包括第一开关元件和第二开关元件，其中：

所述第一开关元件的一端与所述第一切换输入端连接、另一端与所述切换输出端连接；

所述第二开关元件的一端与所述第二切换输入端连接、另一端与所述切换输出端连接。

3.如权利要求2所述的可变增益放大器，其特征在于，所述第一开关元件为MOS元件或IGBT元件。

4.如权利要求2所述的可变增益放大器，其特征在于，所述第二开关元件为MOS元件或IGBT元件。

5.如权利要求1所述的可变增益放大器，其特征在于，所述差分放大电路为基于运算放大器的运算放大电路。

6.如权利要求5所述的可变增益放大器，其特征在于，所述运算放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，其中：

所述运算放大器的输出端用于作为所述可变增益放大器的信号输出端；

所述第三电阻的一端与所述运算放大器的正向输入端连接、另一端用于作为所述第一放大输入端；

所述第四电阻的一端与所述正向输入端连接，另一端用于接收补偿电压；

所述第一电阻的一端分别与所述第二电阻的一端、所述运算放大器的反相输入端连接，所述第一电阻的另一端用于作为所述第二放大输入端；

所述第二电阻的另一端与所述运算放大器的输出端连接。

7.如权利要求6所述的可变增益放大器，其特征在于，所述第一电阻的阻值与所述第三电阻的阻值相同，所述第二电阻的阻值与所述第四电阻的阻值相同。

8.如权利要求7所述的可变增益放大器，其特征在于，所述第一电阻和所述第三电阻为可变电阻。

9.如权利要求7所述的可变增益放大器，其特征在于，所述第二电阻和所述第四电阻为可变电阻。

10.如权利要求6所述的可变增益放大器，其特征在于，还包括数模转换电路，其中：

所述数模转换电路的输出端与第四电阻的另一端连接，用于向所述第四电阻的另一端输出所述补偿电压。