CN1665128A - 带增益指示功能的多级自动增益控制集成电路系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是带增益指示功能的多级自动增益控制集成电路系统。它由前置放大电路、带通滤波电路、可控增益放大器、由峰值检测电路和判断电路组成的控制电平产生电路构成。信号首先耦合至前置放大电路，再分两路分别进入峰值检测电路和带通滤波电路，峰值检测电路产生的直流电平进入判断电路与基准参考电平比较，产生的自动增益，控制放大器的控制电平，控制电平通过编码产生增益指示输出信号，控制电平同时也进入可控增益放大器控制可控增益放大器的放大倍数、对来自带通滤波器的信号进行适当的放大，根据指示输出信号判断可控增益放大器的增益，然后进行被检测信号原始真实强度的还原。本发明能扩展输入信号的处理范围，并且指示输出功能。
Description
(一)、所属领域
本发明涉及的是一种电路，具体地说是一种音频信号控制的带增益指示功能的自动增益控制集成电路及系统。用于对特殊场合声音信号的检测放大及其它领域中。
(二)、背景技术
由于环境中不同物体发出的声音声压差别很大，如蚊鸣声与火箭发动机的声压级相差174dB，为了对声音信号源进行辨别就需要对其声音信号无失真的检测，如果对所有的声音信号采用相同的增益就会导致大信号失真或者小信号无法分辨的问题。因此对于动态范围较大的音频信号，在对语音信号进行放大同时，必须压缩其动态范围才能被后级处理，完成此功能的便是自动增益控制电路及系统。
现有的技术中，自动增益控制电路及系统是由前置放大电路、带通滤波电路、可控增益放大器、由峰值检测电路和判断电路组成的控制电平产生电路构成的，一般只是单纯的改变电路的增益，并没有指示输出功能，对于所检测到的音频信号的原始真实强度不能还原，在特殊场合的应用受到了限制。
(三)、发明内容
本发明的目的在于提供一种能扩展输入信号的处理范围，并且指示输出功能，电路结构简单，易于集成的带增益指示功能的多级自动增益控制集成电路系统。
本发明的目的是这样实现的：它由前置放大电路、带通滤波电路、可控增益放大器、由峰值检测电路和判断电路组成的控制电平产生电路构成，其特征是：信号首先耦合至前置放大电路1，经放大的信号分两路分别进入峰值检测电路4和带通滤波电路2，峰值检测电路4对输入信号进行采样、产生的直流电平进入判断电路5与基准参考电平比较，产生的自动增益，控制放大器的控制电平，控制电平通过编码产生增益指示输出信号7，控制电平同时也进入可控增益放大器3控制可控增益放大器的放大倍数、对来自带通滤波器2的信号进行适当的放大，根据指示输出信号7判断可控增益放大器的增益，然后进行被检测信号原始真实强度的还原。
本发明的特点在于：
前置放大部件，耦合放大预处理被检测信号；控制电平产生电路，包括峰值检测电路和判断电路，峰值检测电路对前级预处理信号进行采样，为下一级判断电路提供信号；判断电路根据峰值检测电路产生的直流电平和参考电平进行比较判断，产生AGC控制电平控制自动增益放大器的增益，控制电平同时通过二进制编码，产生增益指示输出信号，根据增益指示信号可以再生被检测音频信号放大前的原始真实强度；带通滤波器，滤除有效音频信号以外的噪声；自动增益控制放大器，以基于上述控制信号自动改变放大器反馈电阻的方法来改变放大器增益。指示输出部件，根据不同的增益，采用二进制编码输出，由此来对被检测音频信号的原始真实强度进行还原。
本发明的电路结构简单，易于集成的带增益指示功能的多级自动增益控制集成电路系统，由此大大扩展了输入信号的处理范围，并且根据二进制指示输出信号可以对被检测信号的原始真实强度进行还原。
(四)附图说明
图1是本发明的整体结构方框图；
图2是本发明的电路原理图；
图3是AGC放大器电路原理图；
图4是峰值检测电路输出波形图；
图5是控制电平产生电路原理图；
图6是音频信号输入输出波形图。
(五)具体实施方案
结合图1和图2，本发明由前置放大电路、带通滤波电路、可控增益放大器、由峰值检测电路和判断电路组成的控制电平产生电路构成，信号首先耦合至前置放大电路1，经放大的信号分两路分别进入峰值检测电路4和带通滤波电路2，峰值检测电路4对输入信号进行采样、产生的直流电平进入判断电路5与基准参考电平比较，产生的自动增益，控制放大器的控制电平，控制电平通过编码产生增益指示输出信号7，控制电平同时也进入可控增益放大器3控制可控增益放大器的放大倍数、对来自带通滤波器2的信号进行适当的放大，根据指示输出信号7判断可控增益放大器的增益，然后进行被检测信号原始真实强度的还原。
前置放大器1：该电路与一般常规的前置处理电路没有多大区别，该电路的主要作用是：对声传感器检测到的声音信号进行耦合放大处理，以便使峰值检测电路很好的对有用信号的检测，产生理想的自动增益控制电路的控制电平。所以该电路必须具有噪声小、动态范围大的特点。
带通滤波器2：该电路采用多路负反馈型有源带通滤波器的设计结构，此结构能够增加电路的稳定性而又不引入更多的极点。该电路的主要作用是滤除有效音频信号范围(20Hz-20kHz)以外的噪声信号，限定芯片的带宽，以便被自动增益控制电路处理。
可控增益放大器3：同时结合图3，实现自动增益控制系统的方法有改变直流工作条件、改变交流工作条件(包括改变交流负载电阻和交流反馈量)，改变级间衰减量。该电路采用改变交流反馈量的方法，根据输入信号的大小，自动改变放大器反馈电阻的方法来实现改变放大器增益。该反馈电阻回路采用CMOS开关和电阻串联，CMOS开关由控制电平产生电路产生的控制电平控制，此种方法易于实现、易于集成。
峰值检测电路4：同时结合图5，该电路的作用是对输入信号进行采样，为下一级的判断电路提供信号。峰值检测电路的基本原理是利用二极管单向导通特性，使电容单向充电，记忆其峰值。电路中二极管接在跟随器内部，这样可以补偿二极管在小信号检波时的非线性失真问题。而且，电路中的电容放电回路采用传输门控制的电流源，此电流源是一个工作在饱和区的NMOS晶体管，改变该NMOS晶体管的尺寸可以改变此工作电流，以此改变峰值检测的效果。其峰值检测输出波形如图4所示。该电路和判断电路5构成控制电平产生电路。
判断电路5：该电路由多个比较器构成，每个比较器有不同的参考电压，峰值检测输出的直流电平和其比较，产生自动增益控制放大器的控制电平，以此来控制自动增益放大器的增益，控制电平同时通过编码，产生指示输出信号，以便对被检测音频信号的原始真实强度进行还原。
输出信号6：是自动增益控制电路的输出信号，此输出信号是模拟输出信号，其整个电路以三级增益为例的输入输出波形图如图5所示。
指示输出7：该输出信号采用二进制编码输出，根据实际的应用来确定自动增益控制放大器的增益级数，如果有N级增益级数，那么有N-1位二进制编码，根据此编码指示输出信号可以恢复被检测音频信号的原始真实强度。
偏置电压源8、偏置电流源9：该电路主要为电路系统提供所需的偏置电压和电流。
以下，以三级增益自动可调为例来说明该集成电路系统的工作原理：
由于采用三级增益自动可调，所以可控增益放大器只需用两个CMOS开关即可，指示输出采用两位二进制编码，根据实际需要设定三级增益的大小分别为A1、A2、A3且A1＞A2＞A3。
由声传感器检测到的声音信号，通过前置放大器的耦合放大处理，然后分为两路，一路进入带通滤波器，通过滤波处理，再进入可控增益放大器；另一路进入峰值检测电路，通过检波比较，产生可控增益放大器的控制电平。
从前置放大器来的进入峰值检测电路的信号作为输入信号被分成两路，一路进入一个接成跟随器形式的运算放大器，经过二极管给电容C1充电，此二极管接在跟随器的循环回路内；另一路通过几个反相放大器产生控制电平，来控制传输门的状态。电容的放电回路由传输门控制的电流源构成，此电流源是一个工作在饱和区的NMOS晶体管。该电路中，只有使这一系列反相放大器的传输延迟之和小于跟随器形式的运算放大器传输延迟，才能保证该采样电路的正常工作。电路中，二极管采用MOS管连接而成。
峰值检测电路输出信号进入由两个比较器组成的判断电路，该信号同时和参考信号Vref1和Vref2比较，其中Vref1＜Vref2，如果Sawout＜Vref1，则Con1和Con2都为低电平“0”；如果Vref1＜Sawout＜Vref2，则Con1为高电平“1”，Con2为低电平“0”；如果Sawout＞Vref2，则Con1和Con2都为高电平“1”。控制电平Con1、Con2控制自动增益放大器的增益，以此来实现自动增益控制。
由控制电平产生电路产生的控制电平Con1和Con2决定着可控增益控制放大器中开关S1和S2的导通与关断，以实现可控放大器的三级增益的自动调节。其开关导通状态和三级增益的关系如表1所示。两位指示输出端Con2、Con1采用格雷码编制，根据Con1、Con2的状态，可以知道电路的放大倍数，并由此知道外界被检测声音信号的强弱。
表1 开关状态与增益关系表
| Con2 | Con1 | 开关状态 | 增益(dB) |
| 0 | 0 | S1、S2全断开 | A1 |
| 0 | 1 | S1导通、S2断开 | A2 |
| 1 | 1 | S1、S2全导通 | A3 |
| 1 | 0 | 无此工作状态 | |
此外，在AGC放大器中开关的选取对可变增益放大器的性能影响很大。模拟开关是这个电路的主要元件之一，利用增强型MOSFET在可变电阻区的压控电阻特性，可以构成性能优良的电子模拟开关。本电路中采用CMOS工艺，由并联的P沟和N沟增强型晶体管组成一个开关。在设计CMOS开关时P管和N管的宽长比不是任意选取的，只有适当选取两管宽长比才能起到相互补偿的作用。由于P管的载流子是空穴，它的迁移率u要比N管中的电子迁移率小，所以P管的宽长比要比N管的大一些才能更好的弥补单管开关的导通电阻随输入电压变化而变化的不足。
Claims (1)
1、一种带增益指示功能的多级自动增益控制集成电路系统，它由前置放大电路、带通滤波电路、可控增益放大器、由峰值检测电路和判断电路组成的控制电平产生电路构成，其特征是：信号首先耦合至前置放大电路(1)，经放大的信号分两路分别进入峰值检测电路(4)和带通滤波电路(2)，峰值检测电路(4)对输入信号进行采样、产生的直流电平进入判断电路(5)与基准参考电平比较，产生的自动增益，控制放大器的控制电平，控制电平通过编码产生增益指示输出信号(7)，控制电平同时也进入可控增益放大器3控制可控增益放大器的放大倍数、对来自带通滤波器(2)的信号进行适当的放大，根据指示输出信号(7)判断可控增益放大器的增益，然后进行被检测信号原始真实强度的还原。
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