JP5694981B2 - 自動利得調整回路 - Google Patents

Description

本発明は、自動で利得を調整する技術に関する。

無線通信や測定器など強度が桁で変化する入力信号を扱う装置、即ち広い入力信号のダイナミックレンジが要求される装置には自動利得調整回路が使用される。自動利得調整回路は、出力信号の振幅が所定の値以上にならないように適切な利得に調整する。具体的には、入力信号の振幅が小さい時では利得を最大にしておき、入力信号の振幅が大きくなると出力信号の振幅が所定の値になるまで利得を小さくする。

図１９に従来の自動利得調整回路の機能ブロック図を示す。可変利得増幅器１０１の出力信号の振幅を振幅検波回路１０２により取得し、求める振幅値に対応させて予め設定した参照信号との偏差を比較回路１０３で演算する。可変利得増幅器１０１の出力信号の振幅と参照信号の偏差がゼロになるまで可変利得増幅器１０１の利得を調整回路１０４で変化させる負帰還の制御を用いて所定の振幅の出力信号を得る。

James Staley, "ＶＧＡを１個使用した60dBの広いダイナミックレンジを持つ低周波ＡＧＣ回路"、［online］、アナログ・デバイセズ株式会社、［平成２４年３月２日検索］、インターネット〈 URL：http://www.analog.com/static/imported-files/jp/application_notes/AN-934.pdf〉

しかしながら、上記の負帰還の帰還制御では、安定した制御で利得を調整すると最適な利得を得るまでに時間が掛かるという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、短時間で利得を調整できる自動利得調整回路を提供することを目的とする。

第１の本発明に係る自動利得調整回路は、入力信号を設定された利得で増幅した出力信号を出力する可変利得増幅手段と、前記可変利得増幅手段を利得Ｇ_oに設定したときの前記出力信号の振幅｜Ｖ_out｜を検波して振幅データ信号Ａ_mを出力する振幅モニタ手段と、前記振幅データ信号Ａ_mと予め求めておいた所望の前記出力信号の振幅に対応する振幅データ信号Ａ_desと前記利得Ｇ_oを式

（ただし、Ａ _mL は振幅データ信号の下限、｜Ｖ _mL ｜は出力信号の振幅の下限を表し、ｋ＝（Ａ _m −Ａ _mL ）／（｜Ｖ _out ｜−｜Ｖ _mL ｜）である）に代入して最適な利得を求めて前記可変利得増幅手段に設定する利得設定手段と、を有することを特徴とする。

第２の本発明に係る自動利得調整回路は、入力信号を設定された利得で増幅した出力信号を出力する可変利得増幅手段と、前記可変利得増幅手段に入力される入力信号の振幅｜Ｖ_in｜を検波して振幅データ信号Ａ_mを出力する振幅モニタ手段と、前記振幅データ信号Ａ_mと予め求めておいた所望の前記出力信号の振幅に対応する振幅データ信号Ａ_desを式

（ただし、Ａ _mL は振幅データ信号の下限、｜Ｖ _mL ｜は出力信号の振幅の下限を表し、ｋ＝（Ａ _m −Ａ _mL ）／（｜Ｖ _in ｜−｜Ｖ _mL ｜）である）に代入して最適な利得を求めて前記可変利得増幅手段に設定する利得設定手段と、を有することを特徴とする。

上記自動利得調整回路において、前記可変利得増幅手段の前段に段階的に利得を設定して入力した信号を設定した利得で増幅する利得切替増幅手段を有し、前記利得設定手段は、前記振幅モニタ手段が検波した振幅が所定のしきい値より大きい場合は、前記利得切替増幅手段の利得を切り替えることを特徴とする。

上記自動利得調整回路において、前記利得切替増幅手段は、利得の異なる複数の固定利得増幅器と当該複数の固定利得増幅器の出力信号から１つ選択するセレクタとを有することを特徴とする。

第３の本発明に係る自動利得調整回路は、入力信号を設定された利得で増幅した出力信号を出力する可変利得増幅手段と、前記可変利得増幅手段を利得Ｇ _o に設定したときの前記出力信号の振幅｜Ｖ _out ｜を検波して振幅データ信号Ａ _m を出力する振幅モニタ手段と、前記振幅データ信号Ａ _m と予め求めておいた所望の前記出力信号の振幅に対応する振幅データ信号Ａ _des と前記利得Ｇ _o を式

（ただし、Ａ _mL は振幅データ信号の下限、｜Ｖ _mL ｜は出力信号の振幅の下限を表し、ｋ＝（Ａ _m −Ａ _mL ）／（｜Ｖ _out ｜−｜Ｖ _mL ｜）である）のいずれかに代入して最適な利得を求めて前記可変利得増幅手段に設定する利得設定手段と、をそれぞれ備え、互いに特性が異なる複数の自動利得調整部を有し、さらに、前記複数の自動利得調整部の出力信号のうち、出力が飽和していない出力信号の中で最大の出力信号を１つ選択するセレクタと、を有することを特徴とする。
第４の本発明に係る自動利得調整回路は、入力信号を設定された利得で増幅した出力信号を出力する可変利得増幅手段と、前記可変利得増幅手段に入力される入力信号の振幅｜Ｖ _in ｜を検波して振幅データ信号Ａ _m を出力する振幅モニタ手段と、前記振幅データ信号Ａ _m と予め求めておいた所望の前記出力信号の振幅に対応する振幅データ信号Ａ _des を式

（ただし、Ａ _mL は振幅データ信号の下限、｜Ｖ _mL ｜は出力信号の振幅の下限を表し、ｋ＝（Ａ _m −Ａ _mL ）／（｜Ｖ _in ｜−｜Ｖ _mL ｜）である）のいずれかに代入して最適な利得を求めて前記可変利得増幅手段に設定する利得設定手段と、をそれぞれ備え、互いに特性が異なる複数の自動利得調整部を有し、さらに、前記複数の自動利得調整部の出力信号のうち、出力が飽和していない出力信号の中で最大の出力信号を１つ選択するセレクタと、を有することを特徴とする。

上記自動利得調整回路において、前記振幅モニタ手段が検波した前記出力信号の振幅と参照振幅信号とを比較し、前記出力信号の振幅が前記参照振幅信号よりも大きい場合に、前記利得設定手段に最適な利得を求めさせる開始判定手段を有することを特徴とする。

上記自動利得調整回路において、前記振幅モニタ手段は、入力した信号のピーク値を保持してピーク値信号を出力するピークホールド回路を備えることを特徴とする。

本発明によれば、短時間で利得を調整できる自動利得調整回路を提供することができる。

第１の実施の形態における自動利得調整回路の構成を示す機能ブロック図である。 図１の自動利得調整回路の各部に入力される信号と各部の処理のタイミングを示す図である。 第１の実施の形態における自動利得調整回路の変形例の構成を示す機能ブロック図である。 図３の自動利得調整回路の各部に入力される信号と各部の処理のタイミングを示す図である。 開始判定部の変形例の構成を示す機能ブロック図である。 入力信号と出力信号と開始判定部の各部が出力する信号を示す図である。 開始判定部の別の変形例の構成を示す機能ブロック図である。 図７の自動利得調整回路の各部に入力される信号と各部の処理のタイミングを示す図である。 クリア付ピークホールド部を備えた振幅モニタ部を含めた自動利得調整回路の構成を示す機能ブロック図である。 図９の自動利得調整回路の各部に入力される信号と各部の処理のタイミングを示す図である。 別の変形例の振幅モニタ部の構成を示す機能ブロック図である。 第２の実施の形態における自動利得調整回路の構成を示す機能ブロック図である。 第３の実施の形態における自動利得調整回路の構成を示す機能ブロック図である。 図１３の自動利得調整回路の各部に入力される信号と各部の処理のタイミングを示す図である。 第３の実施の形態における別の自動利得調整回路の構成を示す機能ブロック図である。 利得切替増幅部を利得の異なるＮ個の固定利得増幅器で構成した自動利得調整回路の構成を示す機能ブロック図である。 第３の実施の形態におけるさらに別の自動利得調整回路の構成を示す機能ブロック図である。 振幅モニタ部での振幅データ信号と増幅信号の関係を示す図である。 従来の自動利得調整回路の構成を示す機能ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態における自動利得調整回路の構成を示す機能ブロック図である。

図１に示す自動利得調整回路は、可変利得増幅器１１、振幅モニタ部１２、および除算処理・制御部１３を備える。

可変利得増幅器１１は最大の利得（最大利得）を有し、利得制御信号により設定された最大利得以下の利得で入力信号を増幅して信号（以下、増幅信号とする）を出力する。

振幅モニタ部１２は、増幅信号の振幅を取得して振幅データ信号を出力する。振幅モニタ部１２は、交流信号の振幅を検波して検波信号を出力する振幅検波回路１２１と検波信号をデジタル信号に変換するとともに変換するタイミングを制御するアナログ−デジタル変換・タイミング制御部１２２で構成される。振幅検波回路１２１が検波する方法はダイオード検波、２乗検波などいずれでもよい。

除算処理・制御部１３は、可変利得増幅器１１が最大利得のときに検波した増幅信号の振幅データ信号と予め定めた増幅信号の所望の振幅の振幅データ信号に基づいて最適な利得を求める除算処理部１３１と、状態制御信号に基づいて処理を開始し、除算処理部１３１が求めた最適な利得に設定する利得制御信号で可変利得増幅器１１を制御する利得制御・信号生成部１３２で構成される。

ここで、自動利得調整回路の動作原理を説明する。

可変利得増幅器１１の入力信号をＶ_in、増幅信号をＶ_out、最大利得をＧ_oとする。また、振幅モニタ部１２の振幅データ信号Ａ_mとＶ_outの関係をＡ_m＝ｋ｜Ｖ_out｜とする。なお、｜Ｖ_out｜は増幅信号Ｖ_outの振幅を表す。増幅信号の振幅の目標値を｜Ｖ_des｜とし、この時の振幅データ信号をＡ_des＝ｋ｜Ｖ_des｜とする。

状態制御信号が入力されていない時は、可変利得増幅器１１の利得を初期値（最大利得Ｇ_o）に設定する。可変利得増幅器１１に信号が入力された状態で除算処理・制御部１３に状態制御信号が入力された場合を考える。入力信号Ｖ_inの振幅を｜Ｖ_in｜とすると増幅信号Ｖ_outの振幅が目標値｜Ｖ_des｜となる最適な利得Ｇ_optは以下の式で表される。

定義より以下の式（２）、式（３）が成立するため、最適な利得Ｇ_optは次式（４）のように表される。

式（４）において、増幅信号の振幅の目標値｜Ｖ_des｜に対応する振幅データ信号Ａ_desと最大利得Ｇ_oは入力信号の振幅｜Ｖ_in｜と関係なく予め決定でき、可変利得増幅器１１の利得が最大利得Ｇ_oのときの増幅信号の振幅に対応する振幅データ信号Ａ_mは振幅モニタ部１２から取得できる。したがって、振幅データ信号Ａ_mを振幅モニタ部１２から取得し、式（４）により最適な利得Ｇ_optを決定すれば最適な出力振幅が得られる。このとき、増幅信号の振幅と目標値との偏差を観測しつつ可変利得増幅器１１の利得を徐々に最適な利得に近づける動作は必要なく、処理の繰り返し回数が少なく最適な利得を得るまでの時間を短くできる。

なお、本実施の形態においては、可変利得増幅器１１の利得の初期値として最大利得Ｇ_oを設定したが、初期値を最大利得Ｇ_oではなく、予め定めた所定の利得としてもよい。

次に、第１の実施の形態における自動利得調整回路の動作について、自動利得調整回路の各部に入力される信号を用いて説明する。

図２は、各部に入力される信号と各部の処理のタイミングを示す図である。

可変利得増幅器１１に信号が入力されると（図２（ａ））、可変利得増幅器１１は入力信号を設定された利得（ここでは最大利得Ｇ_o）で増幅して増幅信号を出力する（図２（ｂ））。

このとき、除算処理・制御部１３に状態制御信号が入力されると（図２（ｃ））、利得制御・信号生成部１３２から処理開始信号が出力されて除算処理部１３１が初期化され、除算処理部１３１が振幅モニタ部１２にモニタ開始信号を出力して、振幅モニタ処理が開始される（図２（ｄ））。振幅モニタ処理では、振幅検波回路１２１が出力の安定する期間も含めた所定の期間、増幅信号の振幅を検波し、アナログ−デジタル変換・タイミング制御部１２２が検波信号をデジタル信号に変換する。そして、アナログ−デジタル変換・タイミング制御部１２２は、振幅検波回路１２１が検波した増幅信号の振幅に対応する振幅データ信号Ａ_mを除算処理部１３１に出力する（図２（ｅ））。

除算処理部１３１は、振幅データ信号Ａ_m、予め定めた目標となる振幅データ信号Ａ_des、および可変利得増幅器１１に設定した最大利得Ｇ_oを用いて式（４）の演算を実施して最適な利得Ｇ_optを決定する（図２（ｆ））。式（４）の演算は除算演算が可能な計算機を使用して行ってもよいが、Ｇ_optとＡ_mは1対1対応であるため、予めＧ_optとＡ_mの対応表を求め、式（４）の演算をこの対応表で行いＡ_mからＧ_optを求めてもよい。

利得制御・信号生成部１３２は、最適な利得Ｇ_optに対応した利得制御信号を可変利得増幅器１１に出力する（図２（ｇ））。最適な利得設定後では、増幅信号の振幅は｜Ｖ_des｜となる。

〈開始判定部を備える変形例〉
次に、第１の実施の形態における自動利得調整回路の変形例について説明する。

図３は、第１の実施の形態における自動利得調整回路の変形例の構成を示す機能ブロック図である。

図１で示した自動利得調整回路では外部から状態制御信号を入力したが、図３の自動利得調整回路では、可変利得増幅器１１に信号が入力されたことを検知して状態制御信号を出力する開始判定部１４を備えた。

開始判定部１４は、比較部１４１と判定論理処理部１４２を備える。比較部１４１は、振幅検波回路１２１が増幅信号の振幅を検波した検波信号と開始用参照振幅信号を入力して比較し、比較結果を判定論理処理部１４２に出力する。判定論理処理部１４２は、増幅信号の振幅が開始用参照振幅信号よりも大きくなると状態制御信号を除算処理・制御部１３に出力して最適な利得を演算する処理を開始させる。また、可変利得増幅器１１を最適な利得に設定後、増幅信号の振幅が開始用参照振幅信号よりも大きい場合は最適な利得を維持する。さらに、可変利得増幅器１１に信号が入力されなくなり、増幅信号の振幅が開始用参照振幅信号より小さくなると、可変利得増幅器１１の利得を最大利得に戻す。

次に、開始判定部１４が状態制御信号を出力する処理について説明する。

図４は、各部に入力される信号と各部の処理のタイミングを示す図である。

可変利得増幅器１１に信号が入力されて（図４（ａ））、増幅信号の振幅が開始用参照振幅信号Ａ_r1よりも大きくなると（図４（ｂ））、開始判定部１４が状態制御信号を低電位から高電位にして（図４（ｃ））、振幅モニタ処理が開始される（図４（ｄ））。

開始判定部１４では振幅モニタ部１２の検波信号Ａ_mdと開始用参照振幅信号Ａ_r1を比較部１４１で比較する。比較部１４１の比較結果に基づいて、判定論理処理部１４２が状態制御信号の電位を制御する。比較結果がＡ_md＞Ａ_r1の場合は状態制御信号を高電位にし、Ａ_md≦Ａ_r1の場合は状態制御信号を低電位にする。

図４（ｄ）〜（ｇ）の最適な利得を演算する処理の動作は図２と同様であるので、ここでの説明は省略する。

可変利得増幅器１１に信号が入力されなくなり、増幅信号の振幅が開始用参照振幅信号以下となると、つまり比較部１４１の比較結果がＡ_md≦Ａ_r1となると、判定論理処理部１４２は状態制御信号を低電位に戻し、利得制御・信号生成部１３２が初期化され、利得制御信号を最大利得Ｇ_oとなる設定値に戻す（図４（ｇ））。

次に、開始判定部の変形例について説明する。

図５は、図３の開始判定部１４の変形例の構成を示す機能ブロック図である。

図３の自動利得調整回路では振幅検波回路１２１が出力する検波信号を比較部１４１に入力したが、図５の自動利得調整回路では、増幅信号を比較部１４１に入力する。図５に示す開始判定部１４は、比較部１４１と判定論理処理部１４２との間に低域通過フィルタ１４３を備える。

ここで、図５の開始判定部１４が状態制御信号を出力する処理について説明する。

図６は、入力信号と出力信号と開始判定部の各部が出力する信号を示す図である。

可変利得増幅器１１に信号が入力されると（図６（ａ））、増幅信号が開始用参照振幅信号Ａ_r1より大きくなる時間が生じる（図６（ｂ））。比較部１４１の出力信号は、増幅信号が開始用参照振幅信号Ａ_r1より小さい時は低電位となり、大きい時は高電位となる（図６（ｃ））。

比較部１４１の出力信号を低域通過フィルタ１４３に通すと、可変利得増幅器１１に信号が入力されたときは大きくなり、信号が入力されなくなると元の状態に戻る信号が得られる（図６（ｄ））。

この低域通過フィルタ１４３の出力を判定論理処理部１４２に入力して波形整形することで状態制御信号が得られる（図６（ｅ））。

次に、開始判定部の別の変形例について説明する。

図７は、図３の開始判定部の別の変形例の構成を示す機能ブロック図である。

図７の開始判定部１４は、開始用参照振幅信号Ａ_r1を入力する比較部１４４、復帰用参照振幅信号Ａ_r2を入力する比較部１４５、および判定論理処理部１４２を備え、最適な利得設定後に増幅信号の振幅が変化する場合に対応する。

除算処理・制御部１３には、最適な利得を演算する状態、最適な利得を維持する状態、最大利得にする状態の３種の状態がある。図７の開始判定部１４では、最適な利得を演算する処理を開始させる基準となる開始用参照振幅信号Ａ_r1と、最大利得に戻す基準となる復帰用参照振幅信号Ａ_r2を使用する。振幅モニタ部１２の検波信号Ａ_mdと開始用参照振幅信号Ａ_r1を比較部１４４で比較し、検波信号Ａ_mdと復帰用参照振幅信号Ａ_r2を比較部１４５で比較する。比較部１４４と比較部１４５の比較結果に基づいて、判定論理処理部１４２が除算処理・制御部１３の状態を制御する。具体的には、Ａ_md＞Ａ_r1では最適な利得を演算する処理を開始させる信号を出力し、Ａ_r1≧Ａ_md≧Ａ_r2では最適な利得を維持させ、Ａ_md＜Ａ_r2では最大利得にさせる。

図７の自動利得調整回路の動作について、自動利得調整回路の各部に入力される信号を用いて説明する。

図８は、各部に入力される信号と各部の処理のタイミングを示す図である。

可変利得増幅器１１に信号が入力されて（図８（ａ））、Ａ_md＞Ａ_r1かつＡ_md＞Ａ_r2となると（図８（ｂ））、開始判定部１４が状態制御信号Ａ，Ｂをともに高電位にして（図８（ｃ））、最適な利得を演算する処理を開始させる（図８（ｄ）〜（ｇ））。最適な利得を演算する処理の動作は図２と同様であるので、ここでの説明は省略する。

最適な利得が可変利得増幅器１１に設定され、Ａ_r1≧Ａ_md≧Ａ_r2となると（図８（ｂ））、状態制御信号Ａを高電位のまま、状態制御信号Ｂを低電位にして（図８（ｃ））、最適な利得を維持させる。

可変利得増幅器１１に信号が入力されなくなり（図８（ａ））、Ａ_md＜Ａ_r1かつＡ_md＜Ａ_r2となると（図８（ｂ））、状態制御信号Ａ，Ｂをともに低電位にして（図８（ｃ））、可変利得増幅器１１の利得を最大利得Ｇ_oに戻す（図８（ｇ））。

なお、図１０では検波信号を比較部１４４，１４５に入力したが、増幅信号を比較部１４４，１４５に入力してもよい。

〈振幅モニタ部の変形例〉
これまで説明した振幅モニタ部１２では、振幅検波回路１２１により増幅信号の振幅を取得していたが、ピークホールド回路により振幅を取得してもよい。

図９は、クリア付ピークホールド部１２３を備えた振幅モニタ部１２を含めた自動利得調整回路の構成を示す機能ブロック図である。

クリア付ピークホールド部１２３は、入力信号のピーク値を保持してピーク値信号を出力する。クリア信号が入力されると内部状態を初期化して出力するピーク値をクリアする。

アナログ−デジタル変換・タイミング制御部１２２は、ピーク値信号をデジタル信号に変換するとともに変換するタイミングを制御する。

図９の自動利得調整回路の動作について、自動利得調整回路の各部に入力される信号を用いて説明する。

図１０は、各部に入力される信号と各部の処理のタイミングを示す図である。

可変利得増幅器１１に信号が入力されて（図１０（ａ））、Ａ_md＞Ａ_r1かつＡ_md＞Ａ_r2となると（図１０（ｂ））、開始判定部１４が状態制御信号Ａ，Ｂをともに高電位にして（図１０（ｅ））、最適な利得を演算する処理が開始させる。なお、図１０（ｃ），（ｄ）に示すような比較部１４４，１４５の出力から状態制御信号Ａ，Ｂを得る処理は、図６で説明したものと同様であるので説明は省略する。

最適な利得を演算する処理では、まず、除算処理・制御部１３がモニタ開始信号を振幅モニタ部１２に出力する。

そして、アナログ−デジタル変換・タイミング制御部１２２からクリア信号をクリア付ピークホールド部１２３に出力し（図１０（ｆ））、クリア付ピークホールド部１２３が初期化されてピークホールド動作が開始される（図１０（ｇ））。

続いて、ピークホールド動作開始から一定期間Ｔ１の後、アナログ−デジタル変換・タイミング制御部１２２がピーク値信号をアナログ−デジタル変換して振幅データを取得し、振幅データ信号として除算処理・制御部１３に出力する（図１０（ｈ））。なお、一定期間Ｔ１は搬送波の周期より長ければよく、振幅検波部を使用する場合に比べ短い期間で振幅をモニタできる。

除算処理部１３１は、式（４）の演算を実施して最適な利得を決定し（図１０（ｉ））、利得制御・信号生成部１３２が最適な利得に対応した利得制御信号を可変利得増幅器１１に出力する（図１０（ｊ））。

その後、可変利得増幅器１１に信号が入力されなくなり（図１０（ａ））、Ａ_md＜Ａ_r1かつＡ_md＜Ａ_r2となると（図１０（ｂ））、開始判定部１４が状態制御信号Ａ，Ｂがともに低電位にして（図１０（ｅ））、可変利得増幅器１１の利得を最大利得Ｇ_oに戻す（図１０（ｊ））。

以上の説明ではピークホールド動作を１回のみ行って振幅データを決定したが、複数回行った平均値を振幅データとして出力してもよい。

次に、振幅モニタ部１２の別の変形例について説明する。

図１１は、別の変形例の振幅モニタ部１２の構成を示す機能ブロック図である。図９の振幅モニタ部１２では、振幅を取得するのに期間Ｔ１のピーク値すなわち最大値のみを測定したが、図１１の振幅モニタ部１２は、最大値と最小値から振幅を取得する。

図１１の振幅モニタ部１２は、差動出力バッファ部１２４、２つのクリア付ピークホールド部１２３−１，１２３−２、およびアナログ−デジタル変換・タイミング制御部１２２を備える。

差動出力バッファ部１２４は非反転出力と反転出力を有し、入力した増幅信号と同相の信号が非反転出力からクリア付ピークホールド部１２３−１に出力され、入力した増幅信号を反転した信号が反転出力からクリア付ピークホールド部１２３−２に出力される。

振幅モニタ処理時には、クリア付ピークホールド部１２３−１で期間Ｔ１内での差動出力バッファ部１２４の出力の最大値をホールドし、クリア付ピークホールド部１２３−２で期間Ｔ１内での差動出力バッファ部１２４の出力の最小値をホールドして、それぞれ最大値信号、最小値信号としてアナログ−デジタル変換・タイミング制御部１２２に出力する。

アナログ−デジタル変換・タイミング制御部１２２ではピークホールド動作開始から期間Ｔ１経過後、最大値信号、最小値信号をそれぞれアナログ−デジタル変換して差動出力バッファ部１２４の出力の最大値と最小値を得る。最大値と最小値の差に基づいて振幅データを求めた後、振幅データ信号を出力する。振幅データの求め方は、最大値から最小値の差を振幅データとしてもよいし、最大値から最小値の差の半分を振幅データとしてもよい。また、最大値から最小値の差や最大値から最小値の差の半分を１回取得して振幅データを求めてもよいが、最大値から最小値の差や最大値から最小値の差の半分を複数回取得した平均値を振幅データとしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、可変利得増幅器１１の出力信号（増幅信号）の振幅を振幅モニタ部１２で検波し、振幅モニタ部１２が検波した振幅データ信号Ａ_mと予め求めておいた所望の増幅信号の振幅に対応する振幅データ信号Ａ_desと可変利得増幅器１１に設定した利得Ｇ_oから、所望の増幅信号を得るための利得Ｇ_optを（Ａ_des／Ａ_m）Ｇ_oにより算出し、可変利得増幅器１１に設定することにより、短時間で利得の調整が可能となる。

本実施の形態によれば、増幅信号の振幅と開始用参照振幅信号とを比較して、増幅信号の振幅が開始用参照振幅信号よりも大きい場合に、最適な利得を演算する処理を開始させる状態制御信号を出力する開始判定部１４を備えることにより、自動利得調整回路の外部から状態制御信号を入力する必要がなくなる。

本実施の形態によれば、振幅モニタ部１２に入力信号のピーク値を保持してピーク値信号を出力するクリア付ピークホールド部１２３を備えることにより、振幅モニタ部１２が増幅信号の振幅を検波する一定期間Ｔ１を短くすることができる。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、可変利得増幅器１１の出力信号（増幅信号）の振幅をモニタして最適な利得を決定したが、可変利得増幅器１１の入力信号の振幅をモニタして最適な利得を決定することも可能である。

図１２は、第２の実施の形態における自動利得調整回路の構成を示す機能ブロック図である。

図１２に示す自動利得調整回路は、第１の実施の形態と同様に、可変利得増幅器１１、振幅モニタ部１２、および除算処理・制御部１３を備える。第１の実施の形態とは、振幅モニタ部１２が入力信号の振幅を検波する点で異なる。

可変利得増幅器１１は、利得制御信号により設定された利得で入力信号を増幅し、増幅信号を出力する。振幅モニタ部１２は、可変利得増幅器１１の入力信号の振幅を取得して振幅データ信号を除算処理・制御部１３に出力する。除算処理・制御部１３は、振幅データ信号に基づいて最適な利得を導出し、最適な利得に対応した利得制御信号を出力する。

ここで、第２の実施の形態における自動利得調整回路の動作原理を説明する。

可変利得増幅器１１の入力信号をＶ_in、増幅信号をＶ_outとする。また、振幅モニタ部１２の振幅データ信号Ａ_mとＶ_inの関係をＡ_m＝ｋ｜Ｖ_in｜とする。増幅信号の振幅の目標値を｜Ｖ_des｜とする。

可変利得増幅器１１に信号が入力された状態で除算処理・制御部１３に状態制御信号が入力された場合を考える。入力信号Ｖ_inの振幅を｜Ｖ_in｜とすると増幅信号Ｖ_outの振幅が｜Ｖ_des｜となる最適な利得Ｇ_optは式（１）と同じである。定義より以下の式（５）が成立するため、最適な利得Ｇ_optは式（６）のように表される。

Ａ_des＝ｋ｜Ｖ_des｜とすれば式（６）は以下の式（７）になる。

式（６）と式（７）において、ｋ｜Ｖ_des｜またはＡ_desは入力信号の振幅｜Ｖ_in｜と関係なく予め決定でき、振幅データ信号Ａ_mは振幅モニタ部１２から取得できる。可変利得増幅器１１に入力された入力信号の振幅データ信号Ａ_mを振幅モニタ部１２から取得し、式（６）または式（７）により最適な利得Ｇ_optを決定すれば最適な出力振幅が得られる。このとき、増幅信号の振幅と目標値との偏差を観測しつつ可変利得増幅器１１の利得を徐々に最適な利得に近づける動作は必要なく、処理の繰り返し回数が少なく最適な利得を得るまでの時間を短くできる。

なお、図１２の自動利得調整回路では外部から状態制御信号を入力しているが、第１の実施の形態と同様に、開始判定部１４を付加して入力信号の振幅から状態制御信号を生成することも可能である。このとき、最適な利得を得る処理を開始するために開始用参照振幅信号Ａ_r1のみを使用する構成や、最適な利得設定後に増幅信号の振幅が変化する場合に対応するために、開始用参照振幅信号Ａ_r1と復帰用参照振幅信号Ａ_r2を使用する構成にすることが可能である。

また、振幅モニタ部１２においては、第１の実施の形態で示した振幅検波回路１２１やクリア付ピークホールド部１２３を使用する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、可変利得増幅器１１に入力する入力信号の振幅を振幅モニタ部１２で検波し、振幅モニタ部１２が検波した振幅データ信号Ａ_mと予め求めておいた所望の増幅信号の振幅に対応する振幅データ信号Ａ_desから、所望の増幅信号を得るための利得Ｇ_optをＡ_des／Ａ_mにより算出し、可変利得増幅器１１に設定することにより、短時間で利得の調整が可能となる。式（７）の演算は除算演算が可能な計算機を使用して行ってもよいが、Ｇ_optとＡ_mは1対1対応であるため、予めＧ_optとＡ_mの対応表を求め、式（７）の演算をこの対応表で行いＡ_mからＧ_optを求めてもよい。

［第３の実施の形態］
上記の実施の形態の例で使用されている可変利得増幅器１１では入力信号が大きくても増幅信号の振幅が飽和しないことが前提であった。しかしながら、低電力化のため回路に印加する電源電圧を下げると可変利得増幅器１１の増幅信号の振幅の飽和や、振幅モニタ部１２のダイナミックレンジの低下が起こる、即ち入出力特性の線形領域が限定される。そこで、第３の実施の形態では、増幅信号の飽和に対応した自動利得調整回路を示す。

図１３は、第３の実施の形態における自動利得調整回路の構成を示す機能ブロック図である。

図１３に示す自動利得調整回路は、可変利得増幅器１１、振幅モニタ部１２、および除算処理・制御部１３を備える。

可変利得増幅器１１は、選択信号によって利得を離散的にＮ段階で変化させる利得切替増幅部１１１、利得制御信号によって利得を設定される微調整用可変利得増幅部１１２を備える。

振幅モニタ部１２は、可変利得増幅器１１の出力信号（増幅信号）の振幅をモニタして振幅データ信号として除算処理・制御部１３に出力する。

除算処理・制御部１３は、状態制御信号が入力されるとモニタ開始信号を振幅モニタ部１２に出力して振幅モニタ処理を開始させる。その後、振幅モニタ部１２から出力される振幅データ信号が表す増幅信号の振幅が増幅信号や振幅モニタ部１２の線形領域の上限を表す所定のしきい値Ｖ_thより大きい場合には、選択信号により利得切替増幅部１１１の利得を低減させて、再度モニタ開始信号を振幅モニタ部１２に出力して振幅モニタ処理を開始させる。増幅信号の振幅がしきい値Ｖ_th以下の場合は、式（４）に従って最適な利得を求めて、利得制御信号により微調整用可変利得増幅部１１２を最適な利得に設定する。

次に、第３の実施の形態における自動利得調整回路の動作について、自動利得調整回路の各部に入力される信号を用いて説明する。

図１４は、各部に入力される信号と各部の処理のタイミングを示す図である。自動利得調整回路に信号が入力されていないときは、利得切替増幅部１１１と微調整用可変利得増幅部１１２の利得は最大に設定されているとする。

可変利得増幅器１１に信号が入力されると（図１４（ａ））、可変利得増幅器１１は入力信号を増幅して増幅信号を出力する（図１４（ｂ））。ここではしきい値Ｖ_thより大きな振幅の増幅信号が出力される例を示している。

この状態で除算処理・制御部１３に状態制御信号が入力されると（図１４（ｃ））、除算処理・制御部１３からモニタ開始信号が振幅モニタ部１２に出力されて振幅モニタ処理が開始される（図１４（ｄ））。振幅モニタ処理が終わると、振幅モニタ部１２は増幅信号の振幅を検波した振幅データ信号を除算処理・制御部１３に出力する（図１４（ｅ））。

除算処理・制御部１３は、振幅データ信号の示す増幅信号の振幅の値がしきい値Ｖ_thより大きいため、利得決定処理では、選択信号により利得切替増幅部１１１の利得を減少させる処理を行う（図１４（ｆ））。図１４の例では、１回目と２回目の振幅モニタ処理により検波された増幅信号の振幅がしきい値Ｖ_thより大きいため、利得決定処理では利得切替増幅部１１１の利得を減少させた。

増幅信号の振幅がしきい値Ｖ_th以下の場合（図１４（ｄ）では、３回目の振幅モニタ処理）、振幅データ信号が示す増幅信号の振幅から微調整用可変利得増幅部１１２に設定する最適な利得を求め、最適な利得に対応した利得制御信号を微調整用可変利得増幅部１１２に出力する（図１４（ｇ））。最適な利得は式（４）を演算して求める。

図１３の自動利得調整回路では可変利得増幅器１１の出力信号（増幅信号）の振幅をモニタしたが、可変利得増幅器１１の入力信号の振幅をモニタしてもよい。また、図１５に示すように微調整用可変利得増幅部１１２に入力される信号、つまり利得切替増幅部１１１の出力信号の振幅をモニタしてもよい。

〈可変利得増幅器の変形例〉
図１６は、利得切替増幅部１１１を利得の異なるＮ個の固定利得増幅器１１１−１〜１１１−Ｎで構成した自動利得調整回路の構成を示す機能ブロック図である。

利得切替増幅部を利得の異なるＮ個の固定利得増幅器１１１−１〜１１１−Ｎで構成し、各固定利得増幅器１１１−１〜１１１−Ｎそれぞれの出力信号の振幅を中間振幅モニタ部１２−１〜１２−Ｎそれぞれでモニタする。

除算処理・制御部１３では、中間振幅モニタ部１２−１〜１２−Ｎから受け取った振幅データ信号のうち、振幅データ信号が示す振幅が所定のしきい値Ｖ以下の振幅データ信号を用いて最適な利得を導出し、最適な利得を導出するのに用いた振幅データ信号を出力した固定利得増幅器１１１−１〜１１１−Ｎの出力信号を選択するように選択信号をセレクタ１１３に出力するとともに、利得制御信号により微調整用可変利得増幅部１１２を導出した最適な利得に設定する。

図１７は、第３の実施の形態におけるさらに別の自動利得調整回路の構成を示す機能ブロック図である。

図１７に示す自動利得調整回路は、可変利得増幅器１１、振幅モニタ部１２、および除算処理・制御部１３を有するＮ個の特性が異なる自動利得調整部２１−１〜２１−Ｎを備え、自動利得調整部２１−１〜２１−Ｎそれぞれの出力信号と選択信号をセレクタ２２に入力する構成である。図１７の構成にしても、自動利得調整部２１−１〜２１−Ｎそれぞれの可変利得増幅器１１や振幅モニタ部１２の入出力特性の線形領域が限定された場合でもダイナミックレンジを広くとれる。

図１７の自動利得調整回路では、出力が飽和していない自動利得調整部２１−１〜２１−Ｎの中で最大の出力信号の振幅を示す選択信号をセレクタ２２で読み取り、その選択信号に対応する自動利得調整部２１−１〜２１−Ｎの出力信号を増幅信号としてセレクタ２２から出力する。

第３の実施の形態における自動利得調整回路では外部から状態制御信号を入力しているが、第１の実施の形態と同様に、開始判定部１４を付加して入力信号の振幅から状態制御信号を生成することも可能である。このとき、最適な利得を得る処理を開始するために開始用参照振幅信号のみを使用する構成や、最適な利得設定後に増幅信号の振幅が変化する場合に対応するために、開始用参照振幅信号と復帰用参照振幅信号を使用する構成にすることが可能である。

また、振幅モニタ部１２あるいは中間振幅モニタ部１２−１〜１２−Ｎにおいては、第１の実施の形態で示した振幅検波回路１２１やクリア付ピークホールド部１２３を使用する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、選択信号によって利得をＮ段階で変化させる利得切替増幅部１１１を備え、振幅モニタ部１２が検波した増幅信号の振幅が所定のしきい値Ｖ_thより大きい場合には、利得切替増幅部１１１の利得を低減させ、増幅信号の振幅が所定のしきい値Ｖ_th以下の場合には、微調整用可変利得増幅部１１２に設定する最適な利得を求めることにより、増幅信号の飽和に対応することができる。

〈振幅モニタ部が理想的ではない場合〉
図１、３、５、７、９で示した増幅信号の振幅をモニタする実施形態例では振幅モニタ部の入出力の関係、即ち振幅データ信号Ａ_mと増幅信号Ｖ_outの関係を線形で扱ってきたが、振幅データ信号Ａ_mと増幅信号Ｖ_outの関係が原点を通らない直線で表される場合でも振幅データ信号から最適な利得Ｇoptを求めることは可能である。図１８にこの場合のＡ_mとＶ_outの関係の例を示す。この例では|Ｖ_out |が｜Ｖ_mL｜以上の大きさにならないとＡ_mが変化しない。振幅モニタ部の振幅検波回路やピークホールド回路で用いられるダイオードやトランジスタの特性が理想的でなく、しきい値近傍にバイアスした場合にこの関係が得られる。また、振幅検波回路やピークホールド回路の出力にオフセット電圧が含まれる場合があるためＡ_mの下限のＡ_mLを考慮した。利得の制御においては｜Ｖ_mL｜とＡ_mLは定数として扱う。

原点を通らない直線で表される図１８で示した特性の|Ｖ_out|＞|Ｖ_mL|における関係式は以下の式（８）ようになる。

同様に|Ｖ_des|とＡ_desの関係は以下の式（９）で表される。

式（８）と式（９）から以下の式（１０）と式（１１）が導出できる。

|Ｖ_out|=Ｇ_o|Ｖ_in|を使って、式（１０）と式（１１）を式（１）に代入すると以下の式（１２）が得られる。

式（１２）でＡ_m以外は|Ｖ_in|では変化しない定数であるため、振幅モニタ部でＡ_mが得られれば、振幅モニタ部の入出力の関係が原点を通らない直線で表される場合でも最適な利得Ｇ_optが得られる。式（１２）の演算は除算演算が可能な計算機を使用して行ってもよいが、Ｇ_optとＡ_mは1対1対応であるため、予めＧ_optとＡ_mの対応表を求め、式（１２）の演算をこの対応表で行いＡ_mからＧ_optを求めてもよい。

図１２に示した入力信号の振幅をモニタする場合では式（８）が以下のようになる。

式（１３）から以下の式（１４）が導出できる。

式（１４）と式（１１）を式（１）に代入すると以下の式（１５）が得られる。

この場合でもＡ_m以外は|Ｖ_in|では変化しない定数であるため、振幅モニタ部でＡ_mが得られれば最適な利得Ｇ_optが得られる。式（１５）の演算は除算演算が可能な計算機を使用して行ってもよいが、Ｇ_optとＡ_mは1対1対応であるため、予めＧ_optとＡ_mの対応表を求め、式（１５）の演算をこの対応表で行いＡ_mからＧ_optを求めてもよい。

１１…可変利得増幅器
１１１…利得切替増幅部
１１１−１〜１１１−Ｎ…固定利得増幅器
１１２…微調整用可変利得増幅部
１１３…セレクタ
１２…振幅モニタ部
１２１…振幅検波回路
１２２…デジタル変換・タイミング制御部
１２３…クリア付ピークホールド部
１２４…差動出力バッファ部
１２−１〜１２−Ｎ…中間振幅モニタ部
１３…除算処理・制御部
１３１…除算処理部
１３２…利得制御・信号生成部
１４…開始判定部
１４１…比較部
１４２…判定論理処理部
１４３…低域通過フィルタ
１４４，１４５…比較部
２１−１〜２１−Ｎ…自動利得調整部
２２…セレクタ
１０１…可変利得増幅器
１０２…振幅検波回路
１０３…比較回路
１０４…調整回路

Claims (8)

1. 入力信号を設定された利得で増幅した出力信号を出力する可変利得増幅手段と、
   前記可変利得増幅手段を利得Ｇ_oに設定したときの前記出力信号の振幅｜Ｖ_out｜を検波して振幅データ信号Ａ_mを出力する振幅モニタ手段と、
   前記振幅データ信号Ａ_mと予め求めておいた所望の前記出力信号の振幅に対応する振幅データ信号Ａ_desと前記利得Ｇ_oを式
   

   

   （ただし、Ａ_mLは振幅データ信号の下限、｜Ｖ_mL｜は出力信号の振幅の下限を表し、ｋ＝（Ａ_m−Ａ_mL）／（｜Ｖ_out｜−｜Ｖ_mL｜）である）に代入して最適な利得を求めて前記可変利得増幅手段に設定する利得設定手段と、
   を有することを特徴とする自動利得調整回路。
2. 入力信号を設定された利得で増幅した出力信号を出力する可変利得増幅手段と、
   前記可変利得増幅手段に入力される入力信号の振幅｜Ｖ_in｜を検波して振幅データ信号Ａ_mを出力する振幅モニタ手段と、
   前記振幅データ信号Ａ_mと予め求めておいた所望の前記出力信号の振幅に対応する振幅データ信号Ａ_desを式
   

   

   （ただし、Ａ_mLは振幅データ信号の下限、｜Ｖ_mL｜は出力信号の振幅の下限を表し、ｋ＝（Ａ_m−Ａ_mL）／（｜Ｖ_in｜−｜Ｖ_mL｜）である）に代入して最適な利得を求めて前記可変利得増幅手段に設定する利得設定手段と、
   を有することを特徴とする自動利得調整回路。
3. 前記可変利得増幅手段の前段に段階的に利得を設定して入力した信号を設定した利得で増幅する利得切替増幅手段を有し、
   前記利得設定手段は、前記振幅モニタ手段が検波した振幅が所定のしきい値より大きい場合は、前記利得切替増幅手段の利得を切り替えることを特徴とする請求項１又は２記載の自動利得調整回路。
4. 前記利得切替増幅手段は、利得の異なる複数の固定利得増幅器と当該複数の固定利得増幅器の出力信号から１つ選択するセレクタとを有することを特徴とする請求項３記載の自動利得調整回路。
5. 入力信号を設定された利得で増幅した出力信号を出力する可変利得増幅手段と、
   前記可変利得増幅手段を利得Ｇ _o に設定したときの前記出力信号の振幅｜Ｖ _out ｜を検波して振幅データ信号Ａ _m を出力する振幅モニタ手段と、
   前記振幅データ信号Ａ _m と予め求めておいた所望の前記出力信号の振幅に対応する振幅データ信号Ａ _des と前記利得Ｇ _o を式
   

   

   （ただし、Ａ _mL は振幅データ信号の下限、｜Ｖ _mL ｜は出力信号の振幅の下限を表し、ｋ＝（Ａ _m −Ａ _mL ）／（｜Ｖ _out ｜−｜Ｖ _mL ｜）である）のいずれかに代入して最適な利得を求めて前記可変利得増幅手段に設定する利得設定手段と、
   をそれぞれ備え、互いに特性が異なる複数の自動利得調整部を有し、さらに、
   前記複数の自動利得調整部の出力信号のうち、出力が飽和していない出力信号の中で最大の出力信号を１つ選択するセレクタと、
   を有することを特徴とする自動利得調整回路。
6. 入力信号を設定された利得で増幅した出力信号を出力する可変利得増幅手段と、
   前記可変利得増幅手段に入力される入力信号の振幅｜Ｖ _in ｜を検波して振幅データ信号Ａ _m を出力する振幅モニタ手段と、
   前記振幅データ信号Ａ _m と予め求めておいた所望の前記出力信号の振幅に対応する振幅データ信号Ａ _des を式
   

   

   （ただし、Ａ _mL は振幅データ信号の下限、｜Ｖ _mL ｜は出力信号の振幅の下限を表し、ｋ＝（Ａ _m −Ａ _mL ）／（｜Ｖ _in ｜−｜Ｖ _mL ｜）である）のいずれかに代入して最適な利得を求めて前記可変利得増幅手段に設定する利得設定手段と、
   をそれぞれ備え、互いに特性が異なる複数の自動利得調整部を有し、さらに、
   前記複数の自動利得調整部の出力信号のうち、出力が飽和していない出力信号の中で最大の出力信号を１つ選択するセレクタと、
   を有することを特徴とする自動利得調整回路。
7. 前記振幅モニタ手段が検波した前記出力信号の振幅と参照振幅信号とを比較し、前記出力信号の振幅が前記参照振幅信号よりも大きい場合に、前記利得設定手段に最適な利得を求めさせる開始判定手段を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の自動利得調整回路。
8. 前記振幅モニタ手段は、入力した信号のピーク値を保持してピーク値信号を出力するピークホールド回路を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の自動利得調整回路。

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