CN1921297A - 集成多路增益比较控制放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明的集成多路增益比较控制放大电路可根据信号的强度和内部放大电路的放大倍数动态地调整电路的阈值电压，包括：第一级放大电路，主要由嵌位电路以及自动增益控制电路组成，用于将电流输入信号转换为电压信号；第二级放大电路，用于将第一级输出的信号放大15至20倍增益，并4位比较基准电压信号；第三级放大电路，用于将第二级信号放大，输出单端信号，并5位比较基准电压信号；比较检测放大部分，检测输出输入信号并比较输出信号的强度。本发明采用钳位AGC电路和动态化比较基准信号原理相结合，根据输入信号的强度动态放大并调整比较基准信号，从而提高红外线接收机的灵敏度，减低误码率。

Description

集成多路增益比较控制放大电路

技术领域

本发明涉及红外线传输装置，尤其涉及一种放大信号强度的集成多路增益比较控制放大电路。

背景技术

众所周知，当无线接收机感应到信号时，首先需要先将接收到的信号进行放大，然后再进一步处理放大后的信号。如何放大有用的信号部分、有效去除噪声对无线电路设计工程师都是一个挑战。因为光信号在空中传输，周围的环境会产生相当大的噪声，例如市内灯光、室外太阳光、物体的反射光等，并且，光信号在传输中也有能量的损耗。此外，放大电路本身也会产生相当大的噪声，这些噪声曡加在一起将会影响正确地检测信号。当使用的条件进一步苛刻的情况下，例如，实际操作中，当发射机与接收机的操作范围(间距)从可触摸到远距离变化、工作频率有十几倍的差距的时候，如何正确地检测到输入信号并放大以作进一步的处理，成为信号处理中很大的挑战。

集成多路增益比较控制放大电路主要应用之一是红外线传输SIR标准的无线接收放大。在红外线信号传输过程中，当光接收二极管(Pin Diode)位于光发射二极管(LED)触摸距离的位置时，接收信号的电流最高可达10毫安(mA)，而当光接收二极管位于光发射二极管远距离的位置时，接收信号的电流最低仅10纳安(nA)，信号强度相差约1000倍。而光接收二极管根据性能的不同，感应信号的特性也有较大的不同，特别是工作在高频并且面临强光时，它的接收响应的特性会有较大的变化，产生较大的尾电流。

传统的无线放大电路是采用AGC电路将输入信号放大，再与一个基准电压比较，如果放大的输入信号大于这个基准电压则认为输入信号为1，否则为0。然而，当AGC电路产生一个较大的动态范围的同时，它也会有以下的二点问题：

1、信号的特性可能会有较大的改变，从而不符合IrDA(Infrared Data Association)的标准；

2、当发射和接收机在近距离高频传输，光信号较强时，采用传统AGC电路会产生较高的误码率。

基准信号的选择也是放大电路设计成功的关键。如果按照传统的放大电路设计，则当信号噪声较大时，就会产生双脉冲的现象，特别是工作在高频并且信号光较强时，强光信号的尾电流很有可能被作为信号检测出来而产生双脉冲的现象。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已知放大电路设计的不足，从而提供了一种集成多路增益比较控制放大电路，该电路通过将阀值电压提高到信号的强度，用以解决由于信号经过电容所产生的过零现象对信号检测正确性的影响。

本发明的集成多路增益比较控制放大电路包括：

第一级放大电路，包括嵌位电路和自动增益控制电路，用于将电流输入信号转换为电压信号，并按照信号的强度作出相应的放大，输出双极性耦合模拟差分信号，并2位比较基准电压信号；

第二级放大电路，用于将第一级输出的信号放大15至20倍增益，输出双极性耦合模拟差分信号，并4位比较基准电压信号；

第三级放大电路，用于将第二级信号放大，输出单端信号，并5位比较基准电压信号；

比较检测放大部分，用于检测输出输入信号并比较输出信号的强度。

本发明采用钳位自动增益控制(AGC)电路和动态化比较基准信号原理相结合，根据输入信号的强度动态放大并调整比较基准信号，能够准确地对输入信号进行放大，从而提高红外线接收机的灵敏度，减低误码率。

附图说明

图1是本发明的集成多路增益比较放大电路的整体电路模块图；

图2是本发明第一级放大电路的原理图；

图3是本发明第二级放大电路的原理图；

图4是本发明第三级放大电路的原理图；

图5a是本发明第一级多路比较放大电路的原理图；

图5b是本发明第二级多路比较放大电路的原理图；

图5c是本发明第三级多路比较放大电路的原理图；

图6是是包括EN控制位的差分放大器电路的原理图；

图7是输入信号的仿真波形；

图8是第一级放大输出VOUT1m的仿真波形；

图9是第一级放大电路的基准信号输出仿真波形(2位信号)；

图10是第二级放大输出VOUT2m的仿真波形；

图11是第二级放大电路的基准信号输出仿真波形(4位信号)；

图12是最后一级放大输出VOUT3的仿真波形；

图13是最后一级放大电路的基准信号输出仿真波形(5位信号)；

图14是集成多路增益比较控制放大电路输出信号组波形；

图15是红外线传输SIR标准的接收器应用实例的接收信号RxD检测输出仿真波形。

具体实施方式

以下结合附图，详细说明本发明的电路组成原理以及其仿真效果。

如图1所示，本发明包括三级放大增益电路模块和一个多路比较放大模块，其中IINp和IINm是光接收二极管(Pin Diode)感应的电流信号，通过第一级放大器后输出VOUT1p和VOUT1m双级性耦合信号，再作为第二级放大器的输入信号，通过第二级放大后，输出VOUT2p和VOUT2m双级性耦合信号，再作为第三级放大器的输入信号，通过第三级放大后，输出VOUT3单端信号。

在每一级放大电路中，都设计了比较基准信号REF。每组基准信号都有相应的阀值电压，通过这些不同基准信号所产生的对信号差分比较放大器的的开关信号控制，以达到通过对不同基准信号的选用而动态调整阀值电压到相应的信号强度的目的。

第一级放大器输出二位REF1<1:0>比较基准信号，第二级放大器输出四位REF2<3:0>比较基准信号，第三级放大器输出五位REF3<4:0>比较基准信号。如图1所示，每一级的输出信号与相应的比较基准信号都输出到比较放大电路中，最后产生包含输入信号信息的11位数据。这些数据可给后续的逻辑电路还原输入信号，图中，VCC为电源电压，GDND为地，BIAS用于为放大电路提供偏置电压。

如图2所示为本发明的第一级放大电路的原理图。第一级放大电路，如图2所示，将光接收二极管感应的电流信号，也就是双极性输入信号转换成电压信号并进行放大，输出采用模拟双极性耦合信号输出。该级放大电路包括钳位保护电路模块、自动增益控制电路以及前后级信号处理匹配模块，其中钳位保护电路与自动增益控制电路的组合可达到对输入信号稳定清晰放大的效果，下面具体说明两个模块详细电路组成。

第一级放大电路中的嵌位电路模块包括晶体管M6-M12以及电阻R1，R2。M6，M7，M8，M9，M12组成差动放大电路，其中，M6、M7的栅极相连接，M8、M9的源级相连接，M12的漏级与M8、M9的源级相连接，源级与地GND相连接；R1、R2为分压电阻，M10的栅极与M5的栅极相连接，M11与M10的源级、偏置电压BIAS、以及地GND相连接。该嵌位电路可针对输入信号悬空以及开路的状况，通过对地的电流逃逸通路，而对电路起到保护作用。

第一级放大电路中的自动增益控制电路包括放大单元AMP1、晶体管M1-M5、电阻R3、R4。其中AMP1的一个输入端与R1及R2一端相连接，另一输入端与M9的栅极相连接，输出端与M1的栅极相连接，M1的漏级与M2、M3的栅极相连接，M1的源级与地GND相连接，M2的漏级与M3的源级相连接，M2的源级与电源VCC相连接，电阻R3分别连接于M3的源级和漏级，R4分别与R3以及M8的栅极相连接，M5与M4二者的漏级相连接，M4的源级与地相连接。该自动增益控制电路的工作原理首先是由R1和R2两个电阻产生一个固定的电压信号，用于限制输出信号强度的作用。实现的原理是将该固定电压与输入信号的强度进行比较。如果输入信号较大，则自动增益控制电路将不工作，输入信号将直接通过电阻R5以及电容C1耦合输出。如果输入信号小于该固定电压，自动增益控制电路将启动工作。该自动增益控制电路将由多种不同的控制方式完成，具体地说，由NMOS晶体管M1作为电流控制开关控制流经图2所示的A点的电流；由NMOS晶体管M2作为可变电容，用于控制图2所示的A点的电压；PMOS晶体管M3作为可变通路电阻，用于控制电路中分压电阻R3的阻值。该分压电阻的阻值可被控制降到零欧姆。

所有以上这些控制方式将控制第一级放大电路的输出信号强度。

如图3所示为本发明的第二级放大电路的原理图，它包括通常的放大单元AMP以及电流控制电路，用于放大该级的输入信号，第一级放大电路对信号清晰稳定地放大后，第二级的放大电路则是在放大的基础上，尽量降低电路的功率消耗。该级输出仍采用模拟双极性耦合信号输出，同样是用以去除信号的直流部分，减小噪声。该级放大电路同时产生4位比较基准输出信号REF2。

如图4所示为本发明的第三级放大电路的原理图，包括通常的放大单元AMP以及电流控制电流，该级电路是单端输出的放大电路，这是因为前二级的放大电路已将信号放大到足够强的程度，放大电路的噪声已不再对信号的正确检测产生很大的影响，所以采用单端输出。该级放大电路与第二级放大电路的设计要求相同，主要目的是在放大的基础上，尽量降低电路的功率消耗，所以也由简单的放大电路组成。该级放大电路同时产生5位比较基准输出信号REF3。

如图5a、5b、5c所示为各级的比较检测放大电路。本发明的各级电路中，每一级放大电路都有各自的比较基准信号，每个基准信号都是根据该级输出信号的强度分成不同的基准水平。Ref1是相应于第一级放大输出，由2位信号组成，第一级比较检测放大电路接收该二位信号，如图5a所示；Ref2是相应于第二级放大输出，由4位信号组成，第二级比较检测放大电路接收该四位信号，如图5b所示；Ref3是相应于第三级放大输出，由5位信号组成，第三级比较检测放大电路接收该5位信号，如图5c所示；其中，VIN1、VIN2、VIN3分别是各级的输出信号，IBIASN为偏置电压，VDD为各差分放大器工作的电源电压，Ref1<0>对应于最低电平的比较基准信号，而Ref3<4>对应于最高电平的比较基准信号。根据不同的比较基准信号，由11个差分比较放大电路组成的比较检测放大电路将各级放大输出信号与比较基准信号比较放大产生11位的输出信号Q，每一位信号相应于该输出信号的信号强度。

每一级放大电路都有各自不同的比较基准信号的位数。该位数确定的基本原则是第一级放大电路使用较小的位数，随着放大电路的级数的增加，该位数相应增加。然而位数越多将增加后续逻辑电路的复杂性，并且也将使用较多的差分放大器，需要较大的功率消耗。但如果使用较少的位数，将影响检测信号的正确性。本实施例中，设定的位数为第一级2位，第二级4位，第三级5位，这是针对红外线传输SIR标准接收器应用的最优化设计。

如图6所示，每一个差分放大器都有一个EN开关控制输入信号，这是为了减少电路的功耗，关闭无需用到的放大器而设计的。

如图7～图15所示为利用本发明的放大电路的仿真测试波形图，所有的波形图都是通过美国Cadence公司的仿真产品Virotosu运行仿真的输出波形。如图7所示为光接收二级管的感应输入信号波形，该输入信号工作在115.2KHz的频率下，信号强度为2.2毫安(mA)。通过第一级的放大电路，电流电压转换及放大后，其输出为VOUT1m，波形如图8所示，REF1是2位比较基准信号输出，分别为REF1<0>、REF1<1>，其波形如图9所示。其中输出信号强度主要通过自动增益控制电路中的M1，M2，M3(如图2所示)控制电流和分流电压以达到控制信号输出电压的作用。图10是第二级放大电路的输出信号波形，REF2是该放大电路的4位比较基准输出信号，分别为REF2<0>、REF2<1>、REF2<2>、REF2<3>，其波形如图11所示。最后一级放大电路的输出信号波形如图12所示，REF3是其5位比较基准输出信号，分别为REF3<0>、REF3<1>、REF3<2>、REF3<3>、REF3<4>，其波形由图13所示。从图9，图11，和图13可见所有的比较基准信号的波形都是随着信号的波形相应地变动，而不是单一的直流信号，使电路可以动态地决定工作范围。它所起到的作用是抑制掉电路中不需要的杂散信号，所以只有当信号相对于比较基准信号有较大幅度的增大时，才认为是有效信号，从而使电路的正确检测性能大大提高。各比较基准信号与相应的各级输出信号进行比较，得到11位的比较输出信号Q，其波形如图14所示。由该波形可得知，针对目前的输入信号强度，阀值电压设置在相当于第三级放大器VREF<3>的电压。最后图15显示该电路正确地将光接收二级管感应红外线光信号(如图7所示)通过RXD端口的检测输出，该RXD为信号Q的比较检测输出。

从图7中的输入信号波形中，可以看出该信号的输入强度较大，达到2.2mA，也有较持续的尾电流，工作频率是在115.2Kbps，根据传统的设计通常只能在检测出第一个脉冲以后产生乱脉冲现象，而应用本发明的电路设计可正确检测出所有的脉冲。

Claims (10)

1、一种集成多路增益比较控制放大电路，包括第一级放大电路、第二级放大电路、第三级放大电路，其特征在于，还包括比较检测放大部分，且所述第一级放大电路包括嵌位电路和自动增益控制电路。

2、如权利要求1所述的集成多路增益比较控制放大电路，其特征在于，所述嵌位电路包括一个差动放大电路以及与其匹配工作的两个晶体管，用于控制输入信号悬浮状态时的渗漏电流，并在输入开路状态时产生一个对地的逃逸路径，从而对电路起到保护作用。

3、如权利要求1所述的集成多路增益比较控制放大电路，其特征在于，所述自动增益控制电路包括两个匹配工作的NMOS晶体管，该自动增益控制电路中的输入信号用于与电路中的固定电压进行比较放大，并控制一个由所述两个NMOS组成的电流控制开关电路，当自动增益控制电路的输入信号达到该固定的电压值时，电流控制开关电路将关闭，从而使自动增益控制电路关闭，信号达到稳定输出。

4、如权利要求1所述的集成多路增益比较控制放大电路，其特征在于，所述自动增益电路包括一个PMOS晶体管，该晶体管作为可变电容，改变电路的分压值，从而改变输出电压。

5、如权利要求1所述的集成多路增益比较控制放大电路，其特征在于，所述自动增益电路包括一个由自动增益控制电路控制分压电阻阻值的电阻，该电阻用于改变电路的电流及分压电压，从而改变输出电压，该电阻阻值可降为零。

6、如权利要求1所述的集成多路增益比较控制放大电路，其特征在于，所述第二级放大电路为双端输入双端输出电路，产生15至20倍增益，并最小化功率消耗，所述第三级放大电路为双端输入单端输出电路，并最小化功率消耗。

7、如权利要求1所述的集成多路增益比较控制放大电路，其特征在于，所述第一级、第二级以及第三级放大电路产生不同位数的比较基准信号，用于比较电路检测信号的强度，并产生下一步控制相应的放大器的开关控制信号。

8、如权利要求7所述的集成多路增益比较控制放大电路，其特征在于，第一级放大电路产生2位比较基准信号，第二级放大电路产生4位比较基准信号，第三级放大电路产生5位比较基准信号。

9、如权利要求1所述的集成多路增益比较控制放大电路，其特征在于，所述比较检测放大部分包括11个单独差分放大器，所述第一、第二以及第三级放大电路输出11位比较基准信号，作为该11个单独的差分放大器的输入比较信号。

10、如权利要求9所述的集成多路增益比较控制放大电路，其特征在于，所述11个单独差分放大器包括各自单独的开关控制输入信号，用于关闭无需用到的检测放大器，以减小功率的消耗。

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