JP5025771B2

JP5025771B2 - 可変利得増幅器の利得制御装置及びその利得制御方法

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Publication number: JP5025771B2
Application number: JP2010184224A
Authority: JP
Inventors: 繁保岩田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-08-19
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2030-08-19
Also published as: EP2421150A1; JP2012044456A

Description

本発明の実施形態は可変利得増幅器の利得制御装置及びその利得制御方法に関する。

従来の一般的な可変利得増幅器においては、入力信号が入力抵抗Ｒ１を介して演算増幅器の反転入力端に入力され、出力信号がフィードバック抵抗Ｒ２を介して反転入力端に入力され、非反転入力端は接地される。このような可変利得増幅器では、演算増幅器の開ループ利得が十分大きければ、可変利得増幅器の利得は抵抗の比で決まり、抵抗値を調整することにより所望の利得を実現できる。

一方、電子回路が集積回路化される最近の傾向に応じて、近年は可変利得増幅器も集積回路化されることが多い。例えば、リモコン受信機等の赤外線信号処理回路などに使用される可変利得増幅器は、低コスト、低消費電力の観点から集積回路化が望まれている。集積回路化された抵抗の絶対値は製品によってかなり（例えば１０％程度）ばらつく。しかし、素子を大きくし、かつ抵抗Ｒ１、Ｒ２を回路基板上で近傍に配置すると、それぞれの絶対値が同程度ばらつくので、その比（相対的なバラツキ）はほぼ一定に保たれる。このため、可変利得増幅器の利得は製品毎にそれほどばらつくことが無く、このような可変利得増幅器は集積回路化に適していると言える。ただし、これには演算増幅器の開ループ利得が十分大きいという前提が必要である。

しかしながら、近年、アナログ回路は、デバイスの微細化による電源電圧の低下、製品バラツキの増加など、さまざまな問題点が顕在化しており、十分な開ループ利得を確保することが困難になっている。このため、演算増幅器の開ループ利得を十分大きくできず、その結果、抵抗比だけで利得を決めることができない。したがって、製造バラツキ、温度変動、電源電圧変動等の影響により可変利得増幅器の利得が十分に取れず、可変利得増幅器の利得が所望の利得から大きく離れることがある。例えば、赤外線の受信機で使う場合は１００ｄＢの利得が望まれているが、現実には、±２０ｄＢ程度の利得バラツキが生じている。

特開２００３−２７３６７３号公報特許第３３９０３４１号明細書

従来の可変利得増幅器は製品毎の利得のバラツキにより開ループ利得を十分大きくできず、抵抗比だけで利得を決めることができず、所望の利得を実現することが困難であるという課題があった。

本発明の目的は製品毎の利得のバラツキの影響を受けずに、所望の利得を実現できる可変利得増幅器の利得制御装置及びその利得制御方法を提供することである。

実施形態によれば、可変利得増幅器の利得制御装置は可変利得増幅器の雑音レベルを検出する雑音検出手段と、前記可変利得増幅器の出力レベルと前記雑音検出手段で検出された雑音レベルとに応じて前記可変利得増幅器の利得を制御する利得制御手段と、前記可変利得増幅器の出力端子に接続され、所望信号を検出する信号検出手段と、を具備し、前記雑音検出手段は前記信号検出手段が前記所望信号を検出すると、動作を停止し、検出値を保持する。

他の実施形態によれば、可変利得増幅器の利得制御方法は可変利得増幅器の雑音レベルを検出し、前記可変利得増幅器の出力レベルと検出された前記雑音レベルとに応じて前記可変利得増幅器の利得を制御し、前記可変利得増幅器の出力端子において所望信号を検出すると、雑音レベルの検出を停止し、検出値を保持する。

第１実施形態の可変利得増幅器の利得制御装置の構成の一例を示す図である。第２実施形態の可変利得増幅器の利得制御装置の構成の一例を示す図である。第３実施形態の可変利得増幅器の利得制御装置の構成の一例を示す図である。第４実施形態の赤外線信号処理装置の構成の一例を示す図である。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る可変利得増幅器の利得制御装置の構成を示す。利得制御装置は可変利得増幅器１２と、その出力端に接続される雑音レベル検出器１４、利得制御器１６とからなる。雑音レベル検出器１４の出力は利得制御器１６に入力される。

可変利得増幅器１２は演算増幅器２０と、入力抵抗２２、フィードバック抵抗２４とからなる。ここでは、可変利得増幅器１２は、一例として反転増幅回路により実現されている。入力信号が入力抵抗２２を介して演算増幅器２０の反転入力端に入力され、演算増幅器２０の出力信号がフィードバック抵抗２４を介して反転入力端に入力され、非反転入力端は接地される（あるいは一定の電圧に固定される）。入力抵抗２２、フィードバック抵抗２４はともに利得制御器１６からの利得制御信号により抵抗値が変化する可変抵抗である。これらの抵抗２２、２４の抵抗値を調整することにより可変利得増幅器１２の利得を可変し、所望の利得に調整することができる。可変利得増幅器１２は抵抗値の変化による利得の可変範囲が(所望の利得範囲)±(利得のバラツキ)を含むように構成されている。例えば、所望の利得範囲が０〜１００ｄＢであり、バラツキが±１０ｄＢであることが予め分かっている場合は、抵抗２２、２４の抵抗値は利得を−１０ｄＢから１１０ｄＢまで可変できるような値に設定されている。なお、可変利得増幅器１２は非反転増幅回路、あるいは差動増幅回路により実現されてもよい。

雑音レベル検出器１４は可変利得増幅器１２の出力に含まれる連続的な雑音レベルを検出する。一例として、雑音レベル検出器１４はローパスフィルタにより実現される。ローパスフィルタのカットオフ周波数は、可変利得増幅器１２に入力される増幅対象である所望信号のレベルは検出しないで、雑音のみを検出（通過）するように十分に低く、例えば数Ｈｚに設定される。ローパスフィルタのカットオフ周波数を十分に低く設定するために、時定数が大きく設計される。これにより、雑音レベル検出器１４はある周波数成分を持っている増幅対象である所望信号には殆ど反応しないで、雑音が入力されると出力値が徐々に増加する。可変利得増幅器１２は外部からの入力がない無信号の状態でも、トランジスタ、抵抗等の素子から雑音（ホワイト雑音、フリッカ雑音など）が生じて、雑音を出力している。この雑音を入力信号に換算して考えると、雑音も増幅されている。そのため、可変利得増幅器１２の出力に含まれる連続的な雑音レベルは利得に依存する。したがって、可変利得増幅器１２の出力における雑音レベルを検出することは可変利得増幅器１２の利得を検出することとほぼ等価である。雑音レベルを検出して、それが大きいときは利得が大きい方にばらついていると判断でき、小さいときは利得が小さい方にばらついていると判断できる。なお、雑音は可変利得増幅器１２へ外部からの信号が入力された場合も同様に、信号に重畳されて出力される。

利得制御器１６は可変利得増幅器１２の出力及び雑音レベル検出器１４の出力に応じて可変利得増幅器１２の利得を制御するために抵抗２２、２４の抵抗値を可変する利得制御信号を出力する。利得制御器１６は可変利得増幅器１２で増幅された所望信号の出力レベルが第１の所定レベルになるとともに、雑音レベル検出器１４の出力レベルも第２の所定レベルになるように可変増幅器１２の利得を制御する。

次に、このような利得制御装置の利得制御方法について説明する。可変利得増幅器１２は抵抗２２、２４を所定の値となるように設定しても、製品毎のバラツキにより、所望の利得が実現できないことがある。前述したように、所望の利得範囲が０〜１００ｄＢであり、バラツキが±１０ｄＢである場合、利得バラツキを補償できるように抵抗２２、２４による可変利得範囲は−１０ｄＢから１１０ｄＢに設定されている。

初期において、抵抗２２、２４の値は利得が１００ｄＢとなるように設定される。しかし、製品毎のバラツキにより、可変利得増幅器１２の実際の利得は９０ｄＢ〜１１０ｄＢとなる。所望信号が入力されていない初期状態において利得が１００ｄＢ以下に減少した場合、前述したように雑音レベルも減少するので、雑音レベル検出器１４が減少した雑音レベルを検出し、利得制御器１６で雑音レベルが第２の所定レベルに増加するように利得を増加するような利得制御信号を出力する。逆に、初期状態において利得が１００ｄＢ以上に増加した場合、雑音レベルも増加するので、雑音レベル検出器１４が増加した雑音レベルを検出し、利得制御器１６で雑音レベルが第２の所定レベルに減少するように利得を減少するような利得制御信号を出力する。

なお、外部から連続的な雑音が入力されている場合は、外部から入力される雑音も含めた雑音レベルを検出して利得制御をするので、外部雑音に対しても安定した動作が可能である。

可変利得増幅器１２に所望信号が入力された場合も、同様に、利得制御器１６は可変利得増幅器１２の出力レベルに応じて可変利得増幅器１２で増幅された所望信号の出力レベルが第１の所定レベルになるように可変増幅器１２の利得を制御する。可変利得増幅器１２に所望信号が入力されている期間は、雑音検出器１４は所望信号を検出しないので、その出力は徐々に減少する。しかし、雑音検出器１４の時定数は大きいので、その変化は所望信号の変化に比べてはるかに小さい。そのため、可変利得増幅器１２から所望信号が出力されている期間は、利得制御器１６は雑音レベル検出器１４の出力には応じず、可変利得増幅器１２の出力のみに応じて利得を制御する。例えば、大きな振幅の所望信号が可変利得増幅器１２に入力され、可変利得増幅器１２の出力レベルが第１の所定レベル以上になった場合、利得制御器１６は可変利得増幅器１２の出力レベルが第１の所定レベルに下がるように、利得を下げる。この後、所望信号の入力が停止し、可変利得増幅器１２から雑音のみが出力されると、利得が下げられたので、雑音レベルも低下し、第２の所定レベル以下に下がる。これにより、利得制御器１６は可変利得増幅器１２の出力雑音レベルが第２の所定レベルに上がるように利得を上げる。なお、雑音レベル検出器１４の時定数は大きく、出力はゆっくり変化するので、可変利得増幅器１２の利得の上昇もゆっくりとなる。このように雑音レベルに基づいて可変利得増幅器１２の実際の利得を検出し、それに応じて利得を制御するので、可変利得増幅器１２の利得が所望の利得からずれても、可変利得増幅器１２の出力レベルを所望のレベルとすることができ、可変利得増幅器１２を構成する演算増幅器の開ループ利得を十分に確保できない場合でも、可変利得増幅器１２の利得誤差を補正することができる。

従来の一般的な利得制御装置は、雑音レベル検出器１４を具備せず、増幅器の出力信号の振幅を検出して、出力信号の振幅が所望の値になるように利得を制御する。しかし、利得がマイナスの方向にばらついて９０ｄＢになり、増幅器に入力される信号が微小な信号である場合、利得が１００ｄＢであれば微小信号の出力信号の振幅が検出できるが、９０ｄＢでは充分に増幅されないので、出力信号の振幅が検出できないことがある。この場合、利得制御装置は利得が下がったことが分からず、利得を増加するように制御することをしない。そのため、可変利得増幅器の後段の回路は信号を検知できない。本実施形態は可変利得増幅器の利得を雑音レベルによって検出し、それに応じて利得を制御しているので、出力信号のレベルが微小であっても適切に利得を調整できる。

逆に、利得がプラスの方向にばらつくと、必要以上に大きな雑音が出て、雑音によって後段の回路が誤動作する可能性があるが、本実施形態によれば、このような誤動作を防止することができる。

なお、雑音レベル、信号レベルを可変利得増幅器１２の出力において検出しているが、他の箇所で検出する構成でもよい。例えば、可変利得増幅器１２の出力にバンドパスフィルタを接続して、その出力において雑音レベル、信号レベルを検出してもよい。バンドパスフィルタを介した方が振幅の検出が容易になる場合がある。

以下、他の実施の形態を説明する。他の実施の形態の説明において第１の実施の形態と同一部分は同一参照数字を付してその詳細な説明は省略する。

（第２実施形態）
図２は第２実施形態に係る可変利得増幅器の利得制御装置の構成を示す。第２実施形態は第１実施形態に対して可変利得増幅器１２の出力端子に所望信号検出器３０が付加されている点が異なる。

上述したように、ローパスフィルタからなる雑音レベル検出器１４は、連続的な雑音レベルのみを検出し、所望信号の影響を受けないようにするためには、カットオフ周波数を十分に低く設定する必要がある。カットオフ周波数を低くするためには、時定数を大きくする必要があり、抵抗やキャパシタが大きくなり、回路規模が増大してしまう。

そのため、第２実施形態では、所望信号検出器３０を設け、可変利得増幅器１２に所望信号が入力されているか否か判断し、判断結果に応じて雑音レベル検出器１４の動作をオン／オフする。すなわち、所望信号が検出されると、雑音レベル検出器１４への入力を遮断し、動作をオフ（停止）する。雑音レベル検出器１４を構成するローパスフィルタは時定数が大きいので、動作がオフの期間が短ければ、雑音レベルの検出値はそのまま保持される。リモコン受信機への応用等、所望信号の入力期間が所定の数ミリ秒である場合は、雑音レベル検出器１４の出力レベルは充分保持される。必要であれば、雑音レベル検出器１４にレベル保持用のキャパシタを設ければよい。所望信号が検出されなくなると、雑音レベル検出器１４の動作をオン（再開）する。所望信号検出器３０は、例えば、所望信号を抽出するバンドパスフィルタとレベル検出器から構成することができる。

第２実施形態によれば、第１実施形態の作用効果に加えて、所望信号が雑音レベル検出器１４に入力されることがないので、雑音レベル検出器１４を構成するローパスフィルタの時定数を大きくする必要が無く、小さい回路規模で装置を実現することが可能という効果がある。

（第３実施形態）
図３は第３実施形態に係る可変利得増幅器の利得制御装置の構成を示す。第３実施形態は第２実施形態に対して可変利得増幅器１２と所望信号検出器３０との間にローパスフィルタ（アンチエイリアシングフィルタ）４０とＡＤ（アナログ／ディジタル）変換器４２とが付加されている点が異なる。これにより、雑音レベル検出器１４と、利得制御器１６と、所望信号検出器３０の処理をディジタル化する。

第３実施形態は第２実施形態の作用効果に加えて、ディジタル化することにより、雑音レベル検出器１４と、利得制御器１６と、所望信号検出器３０の処理が容易となる効果がある。所望信号が赤外線リモコン信号の場合、所望信号検出器３０は信号のプリアンブル（リーダ信号）等を検出するだけで所望信号を検出できる。雑音レベル検出器１４はディスイネーブルに設定するだけで検出動作を保持できる。

（第４実施形態）
図４は第４実施形態に係る赤外線信号処理装置の構成を示す。図４は第３実施形態の可変利得増幅器の利得制御装置を用いた例を示す。

赤外線信号処理回路は、図示しないＴＶリモコン送信機からの赤外線リモコン信号を受信する。通常、このリモコン信号の変調方式はＰＰＭ（パルス位置変調）方式をとっている。ＰＰＭ方式はパルスの時間間隔で“１”と“０”を区別する方式である。リモコン信号のパルスの時間間隔に、電源オン／オフ、チャンネル切替え等の制御コードが含まれている。また、各パルス列は副搬送波で振幅変調されている。通常、ＴＶリモコンの副搬送波周波数は３８ｋＨｚである。

可変利得増幅器１２の入力側にフォトダイオード（ＰＤ）５０が接続される。フォトダイオード５０は、赤外線のリモコン信号を受光して電流に変換する半導体ダイオードである。可変利得増幅器１２の出力信号はバンドパスフィルタ５２に入力される。バンドパスフィルタ５２は外乱光の影響を除去し、信号成分のみを抽出するために、通過帯域の中心周波数を副搬送波周波数に一致させている。

バンドパスフィルタ５２の出力はＡＤ変換器５４を介してエンベロープ生成器５６に入力される。エンベロープ生成器５６は搬送波信号からエンベロープを生成する。エンベロープ生成器５６の出力は利得制御器１６、雑音レベル検出器１４、ヒステリシスコンパレータ５８に入力される。

ヒステリシスコンパレータ５８はエンベロープ生成器５６の出力と閾値との大小を比較し、エンベロープを二値化してリモコン信号を再生する。雑音レベル検出器１４はエンベロープ生成器５６の出力に含まれる連続的な雑音レベルを検出するローパスフィルタ（積分器）である。雑音レベル検出器１４は雑音のみを検出し、リモコン信号の影響を受けないように、ローパスフィルタのカットオフ周波数は低く設定されている。利得制御器１６はリモコン信号レベルが第１の所定レベルになるとともに、雑音レベル検出器１４の出力レベルも第２の所定レベルになるように可変利得増幅器１２の利得を制御する。

可変利得増幅器１２はフォトダイオード５０の出力電流を電圧に変換し、電圧増幅を行う。一般的に、リモコン信号受信回路の可変利得増幅器１２は１００ｄＢ程度のダイナミックレンジが必要である。製品バラツキによる利得誤差を低減するためには、可変利得増幅器１２を構成する演算増幅器の開ループ利得を十分に大きくする必要がある。しかしながら、近年、アナログ回路は、デバイスの微細化による電源電圧の低下、製品バラツキの増加など、さまざまな問題点が顕在化しており、十分な開ループ利得を確保することが困難になっている。演算増幅器の開ループ利得が低下すると、利得誤差が大きくなる。

可変利得増幅器１２は、インバータ蛍光灯等の外部から入力される外乱光雑音と可変利得増幅器１２自体が発生する雑音の両者を増幅して出力する。出力信号の雑音レベルは利得に依存する。したがって、インバータ蛍光灯等の外乱光雑音がない状態でも、可変利得増幅器１２自体が発生する雑音に基づく雑音レベルを検出することで、可変利得増幅器１２の利得を検出し、検出結果に基づいて利得を調整することが可能である。

また、インバータ蛍光灯等の連続的な外乱光雑音が入力されている場合は、外乱光雑音も含めた雑音レベルを検出して利得制御をするので、外乱光雑音に対しても安定した動作が可能である。

ヒステリシスコンパレータ５８の出力信号がコード検出器６０に入力される。コード検出器６０はリモコン信号が検出されたか否かの判定を行うもので、第２、第３実施形態の所望信号検出器３０と等価である。コード検出器６０はリモコン信号の受信を検出すると、雑音レベル検出器１４の動作をオフ（停止）させる。リモコン信号が検出されなくなると、雑音レベル検出器１４の動作をオン（再開）する。コード検出器６０で検出されたリモコン信号は図示しない後段の制御回路に供給され、リモコン信号に応じた種々の制御、電源オン／オフ、チャンネル切換え、音量変更等が行われる。これにより、第２実施形態と同様に雑音レベル検出器１４の時定数を小さくすることが可能になる。

第４実施形態は第３実施形態に基づいた赤外線信号処理装置を説明したが、第１実施形態、第２実施形態に基づいても赤外線信号処理装置を実現できる。すなわち、第１、第２実施形態の可変利得増幅器１２の入力端子にフォトダイオード５０を接続し、第１実施形態の可変利得増幅器１２の出力端子、あるいは第２実施形態の所望信号検出器３０の出力端子にコード検出器６０を接続すればよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１２…可変利得増幅器、１４…雑音レベル検出器、１６…利得制御器、２０…演算増幅器、２２…入力抵抗、２４…フィードバック抵抗、３０…所望信号検出器。

Claims

可変利得増幅器の利得制御装置であって、
前記可変利得増幅器の雑音レベルを検出する雑音検出手段と、
前記可変利得増幅器の出力レベルと前記雑音検出手段で検出された雑音レベルとに応じて前記可変利得増幅器の利得を制御する利得制御手段と、
前記可変利得増幅器の出力端子に接続され、所望信号を検出する信号検出手段と、
を具備し、
前記雑音検出手段は前記信号検出手段が前記所望信号を検出すると、動作を停止し、検出値を保持する利得制御装置。
前記可変利得増幅器の利得可変範囲は所望値を中心とし、製品毎の利得誤差範囲を含む請求項１記載の利得制御装置。
前記雑音検出手段は可変利得増幅器の出力端子に接続されるローパスフィルタを具備する請求項１記載の利得制御装置。
前記可変利得増幅器の出力端子に接続されるアンチエイリアシングフィルタと、
前記アンチエイリアシングフィルタの出力端子に接続され、アナログ信号をディジタル信号に変換する変換手段と、をさらに具備し、
前記変換手段から出力されるディジタル信号が前記雑音検出手段と、前記利得制御手段と、前記信号検出手段とに供給される請求項１記載の利得制御装置。
可変利得増幅器の利得制御方法であって、
前記可変利得増幅器の雑音レベルを検出し、
前記可変利得増幅器の出力レベルと検出された前記雑音レベルとに応じて前記可変利得増幅器の利得を制御し、
前記可変利得増幅器の出力端子において所望信号を検出すると、雑音レベルの検出を停止し、検出値を保持する利得制御方法。
前記可変利得増幅器の利得可変範囲は所望の利得値を中心とし、製品毎の利得誤差範囲に設定されている請求項５記載の利得制御方法。
前記雑音レベルの検出は可変利得増幅器の出力端子に接続されるローパスフィルタにより行われる請求項５記載の利得制御方法。