CN112787611A - 可控增益放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种可控增益放大器，实现了高精度的增益调节，并且简化了电路结构，提高了增益放大器的稳定性及可靠性。方案包括逻辑控制模块以及可控增益模块，可控增益模块包括增益衰减网络，增益衰减网络包括粗调网络以及细调网络，粗调网络包括多位R‑2R电阻网络以及多个开关，每一位R‑2R电阻结构通过一个开关与可控增益模块的输出端连接，细调网络包括多个串联的电阻以及多个开关，每一个电阻通过一个开关与可控增益模块的输出端连接；逻辑控制模块用于将外部输入的增益控制信号进行处理，生成相应开关控制信号控制增益衰减网络中粗调网络以及细调网络中开关的关闭，以实现增益的精确调节。本发明适用于高精度增益调节。

Description

可控增益放大器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种可控增益放大器。

背景技术

随着现代生活方式的改变,智能家居已成为主流发展趋势。智能家电结合了微处理器技术，高精度智能传感器技术以及网络通信技术，具有自动感知自身或周边环境状态调节自身工作方式的特点，与其他家居的互联实现智能家居。高精度智能传感器技术(主要起到感知信号并发出指令的作用)作为应用于智能家居MCU芯片智能传感器的关键技术之一，正日益受到更多的重视。

在智能传感器处理信号的过程中，放大器是不可或缺的元件。由于自然界的信号多为微弱且功率变化范围很大的模拟信号，若使这些信号可以被有效地处理，必须将其放大到可以被AD，DA等信号处理模块识别的程度；另外，若采用传统的固定增益放大，将会进一步增加AD，DA模块的设计难度，所以我们需要根据输入信号的功率调整放大器的增益，使其在很大的功率范围内都能被AD，DA模块处理。最后，由于自然界的信号存在很大的噪声，我们需要低噪声放大器减小噪声的影响，增加***处理信号的效率。因此研发性能优秀的可控增益放大器是十分必要的。

目前的智能传感器设计对可控放大器提出了低功耗，低噪声，高精度，高增益，大增益变化范围，宽频带等需求。一般地，可控增益放大器包含以下模块：输入级、增益变化网络，逻辑控制模块和输出级。为了实现低噪声的要求，需要适当增加输入级的复杂度减小输入***的噪声；逻辑控制模块的主要作用是通过数字逻辑模块对增益控制信号进行处理，起到控制增益控制模块的作用；可控增益模块有多种结构：传统的Flash结构增益控制模块虽然可以较为直观且精确地实现大范围增益变化，却极大增加了电路的复杂度，另外开关引入了过多的寄生参数，使该结构的可控增益放大器更不易与其他模块集成；传统的R-2R结构增益控制模块虽然简化了电路结构，但是由于其只能实现0dB及以下的增益(故又称增益衰减网络)，且只能实现步进为6dB的增益调节，不适用于高精度的使用环境，为此需要进一步改善电路结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种可控增益放大器，实现了高精度的增益调节，并且简化了电路结构，提高了增益放大器的稳定性及可靠性。

本发明采取如下技术方案实现上述目的，可控增益放大器，包括逻辑控制模块以及可控增益模块，所述可控增益模块包括增益衰减网络，所述增益衰减网络包括粗调网络以及细调网络，所述粗调网络包括多位R-2R电阻网络以及多个开关，每一位R-2R电阻结构通过一个开关与可控增益模块的输出端连接，所述细调网络包括多个串联的电阻以及多个开关，每一个电阻通过一个开关与可控增益模块的输出端连接；

所述逻辑控制模块用于将外部输入的增益控制信号进行处理，生成相应开关控制信号控制增益衰减网络中粗调网络以及细调网络中开关的关闭，以实现增益的精确调节。

进一步的是，为了提高输入阻抗，所述可控增益模块还包括BJT(双极结型晶体管)低噪声输入级，所述BJT低噪声输入级与增益衰减网络连接。

进一步的是，为了增加可控增益放大器工作的可靠性，所述可控增益模块还包括push-pull输出级，所述push-pull输出级与可控增益模块连接。

进一步的是，所述逻辑控制模包括比较器阵列以及Code单元，所述比较器阵列包括多个比较器、多个电阻以及放大器，多个电阻串联后一端接地，另一端接外部电源，放大器的输出端分别与各个比较器的负输入端连接，各个比较器的正输入端分别并联一个电阻，各个比较器的输出端均与Code单元连接。

进一步的是，所述将外部输入的增益控制信号进行处理，生成开关控制信号的具体过程包括：

外部输入的增益控制信号首先经过放大器放大后输出到比较器阵列中各个比较器的负输入端，与正输入端参考电压比较，将比较结果输出到Code单元进行处理后，生成开关控制信号。

进一步的是，所述Code单元包括与门阵列、数据选择器阵列以及开关控制信号阵列；所述与门阵列包括多个与门电路；所述数据选择器阵列包括多个数据选择器，所述数据选择器包括传输门以及反相器，并有两个数据通道；所述开关控制信号阵列由多个或非门和与非门的组合形成。

进一步的是，所述Code单元包括增益斜率翻转功能，实现增益斜率翻转的具体方法包括：

外部输入的增益斜率翻转信号经过取反后输出到每个数据选择器传输门，当增益斜率翻转信号为低电平时，控制数据选择器从其中一个数据通道输出信号，此时增益随外部输入的增益控制信号的增大而增大，斜率为正；当增益斜率翻转信号为高电平时，控制数据选择器从另一个数据通道输出信号，此时增益随外部输入的增益控制信号的增大而减小，斜率为负；然后对两个数据通道分别输入一组对称的数据，得到对称的翻转以实现增益斜率翻转。

进一步的是，所述将比较结果输出到Code单元进行处理后，生成开关控制信号具体过程包括：

将增益衰减网络中的多个开关进行组合得到相应变化的增益范围，并形成相应开关控制表；根据相应开关控制表对比较器阵列输出的数据进行与门阵列的逻辑运算，然后将运算结果输出到数据选择器阵列，经过数据选择器阵列处理后输出到开关控制信号阵列，经过开关控制信号阵列的逻辑运算后生成相应开关控制信号。

进一步的是，所述与门阵列的逻辑运算为：

n为大于等于0的整数，Vcomp＜n+1＞为第n+1个比较器的输出结果，Vcomp＜n+2＞为第n+2个比较器的输出结果，Vcomp＜n+3＞为第n+3个比较器的输出结果。

本发明增益衰减网络采用R-2R的粗调网络和电阻串联的细调网络结构实现大范围高精度增益调节；逻辑控制模块采用比较器阵列将输入的增益控制信号进行处理，生成开关控制信号控制增益衰减网络中的开关，以实现增益的精确调节，另外引入的控制信号可以实现增益斜率的翻转；输出级采用push-pull结构将输出信号稳定在固定的工作点，增加了该可控增益放大器工作的可靠性。

附图说明

图1是本发明可控增益放大器的结构框图。

图2是本发明可控增益模块电路示意图。

图3是本发明逻辑控制模块中比较器阵列电路示意图。

图4是本发明逻辑控制模块中Code单元电路示意图。

图5是本发明Code单元内部结构示意图。

附图中，1为粗调网络，2为细调网络。

具体实施方式

本发明可控增益放大器，包括逻辑控制模块以及可控增益模块，所述可控增益模块包括增益衰减网络，所述增益衰减网络包括粗调网络以及细调网络，所述粗调网络包括多位R-2R电阻网络以及多个开关，每一位R-2R电阻结构通过一个开关与可控增益模块的输出端连接，所述细调网络包括多个串联的电阻以及多个开关，每一个电阻通过一个开关与可控增益模块的输出端连接；

所述逻辑控制模块用于将外部输入的增益控制信号进行处理，生成相应开关控制信号控制增益衰减网络中粗调网络以及细调网络中开关的关闭，以实现增益的精确调节。

为了提高输入阻抗，所述可控增益模块还包括BJT低噪声输入级，所述BJT低噪声输入级与增益衰减网络连接。

为了增加可控增益放大器工作的可靠性，还包括push-pull输出级，所述push-pull输出级与可控增益模块连接。

所述逻辑控制模包括比较器阵列以及Code单元，所述比较器阵列包括多个比较器、多个电阻以及放大器，多个电阻串联后一端接地，另一端接外部电源，放大器的输出端分别与各个比较器的负输入端连接，各个比较器的正输入端分别并联一个电阻，各个比较器的输出端均与Code单元连接。

所述将外部输入的增益控制信号进行处理，生成开关控制信号的具体过程包括：

外部输入的增益控制信号首先经过放大器放大后输出到比较器阵列中各个比较器的负输入端，与正输入端参考电压比较，将比较结果输出到Code单元进行处理后，生成开关控制信号。

所述Code单元包括与门阵列、数据选择器阵列以及开关控制信号阵列；所述与门阵列包括多个与门电路；所述数据选择器阵列包括多个数据选择器，所述数据选择器包括传输门以及反相器，并有两个数据通道；所述开关控制信号阵列由多个或非门和与非门的组合形成。

所述Code单元包括增益斜率翻转功能，实现增益斜率翻转的具体方法包括：

外部输入的增益斜率翻转信号经过取反后输出到每个数据选择器传输门，当增益斜率翻转信号为低电平时，控制数据选择器从其中一个数据通道输出信号，此时增益随外部输入的增益控制信号的增大而增大，斜率为正；当增益斜率翻转信号为高电平时，控制数据选择器从另一个数据通道输出信号，此时增益随外部输入的增益控制信号的增大而减小，斜率为负；然后对两个数据通道分别输入一组对称的数据，得到对称的翻转以实现增益斜率翻转。

所述将比较结果输出到Code单元进行处理后，生成开关控制信号具体过程包括：

将增益衰减网络中的多个开关进行组合得到相应变化的增益范围，并形成相应开关控制表；根据相应开关控制表对比较器阵列输出的数据进行与门阵列的逻辑运算，然后将运算结果输出到数据选择器阵列，经过数据选择器阵列处理后输出到开关控制信号阵列，经过开关控制信号阵列的逻辑运算后生成相应开关控制信号。

所述与门阵列的逻辑运算为：

n为大于等于0的整数，Vcomp＜n+1＞为第n+1个比较器的输出结果，Vcomp＜n+2＞为第n+2个比较器的输出结果，Vcomp＜n+3＞为第n+3个比较器的输出结果。

如图1所示，本设计核心是增益衰减网络和逻辑控制模块的设计，其中逻辑控制模块可以对外部输入的增益控制信号进行处理，处理后的结果可以相应调节增益衰减网络的结构，完成调节***增益的功能。

如图2所示，为可控增益模块电路原理图。输入级采用了低噪声设计：使用BJT做信号输入级可以有效降低信号噪声，使用BJT的另一个优势是BLT基极电流几乎为0，可以提供极高的输入阻抗。增益衰减网络主要利用了R-2R结构。其中R-2R部分(这里的电阻被设定为1k和2k)为粗调1(步进-6dB)，后面接入的电阻串为细调2(步进-1dB)。R-2R结构只能实现增益衰减的功能，由于增益变化范围为-48dB-0dB，所以粗调部分需要9个开关，S0-S8，细调部分需要6个开关，S9-S14，另外为了不使未接入放大器输入端的电阻悬空，还需要一个处于断开状态的开关S15接入细调电阻串和GND之间；为了实现精确调节，一共需要16个开关。细调电阻R1-R6从上到下的比值为：0.11R，0.097R，0.086R，0.077R，0.069R，0.562R。由于固定增益放大器的输入电阻和反馈电阻都被设定为10，故将细调电阻从上到下分别设定为1.236k，1.358k，1.53k，1.724k，1.9456k，11.24k。固定增益放大器采用push-pull结构，将输出信号稳定在固定的工作点。

图3是本发明逻辑控制模块中比较器阵列电路示意图，包括50个比较器，51个电阻以及放大器，外部输入的增益控制信号gain首先输入到增益为4的放大器，放大后的结果gain’输入到比较器阵列中各个比较器的负输入端，与正输入端参考电压比较，输出结果Vcomp<0>-Vcomp<48>将进入Code单元进行处理，组合成49种不同的开关控制信号分别对应49个不同的增益。增益衰减网络中共有16个开关，将这些开关进行组合可以得到-48dB-0dB的增益变化并形成开关控制表，根据设计好的开关控制表，将比较器阵列输出的数据用一系列逻辑电路进行处理，实现控制表中的功能。首先比较器阵列输出信号输入与门阵列，实现逻辑运算为：

n为大于等于0的整数，Vcomp＜n+1＞为第n+1个比较器的输出结果，Vcomp＜n+2＞为第n+2个比较器的输出结果，Vcomp＜n+3＞为第n+3个比较器的输出结果。

仅当Vcomp＜n+1＞＝1，Vcomp＜n+2＞＝Vcomp＜n+3＞＝0时，A<n>＝1；所以与门阵列的作用是判断从哪个点开始Vcomp＜n+1＞＝1，可以确定在这个点放大四倍的gain值略小于对应比较器正输入端的参考电压。

图4是本发明逻辑控制模块中Code单元电路示意图，比较器阵列各个比较器的比较结果输出到Code单元，经过Code单元处理后生成相应控制信号。

图5是本发明Code单元内部结构示意图，包括与门阵列、数据选择器阵列以及开关控制信号阵列；与门阵列包括多个与门电路；数据选择器阵列由48个数据选择器构成，该数据选择器主要由传输门(TG)和反相器(INV)构成，共有两个数据通道IN1和IN2，作用是选择通过某个输入端的信号。当MODE信号(即增益斜率翻转信号)为0时(这个信号控制增益斜率是否翻转)，数据选择器选择通过IN1输入端的信号。经过MUX阵列处理后，输出的out<0>-out<48>中只会有一个值为1，每个增益控制信号对应特定的、为高电平的out<n>。MUX阵列输出结果将进入开关控制信号阵列。

开关控制信号阵列由或非门和与非门的组合形成，本设计中或非门和与非门实现逻辑运算分别为：

IN₁，IN₂，IN₃，IN₄，可以代表数据选择器阵列输出的信号。

逻辑门的组合方式参照开关控制表，根据每个不同增益的情况下不同开关的状态，可以得到开关控制表中的16个开关控制信号。开关控制表如下：

另外，Code单元增加了增益斜率翻转的功能，这个功能通过模块中的MODE信号控制(图中未标出)，MODE信号首先经过一个反相器取反为信号S，再将信号S接入每个数据选择器中的TG，其工作原理如下:当MODE接低电平时，MODE控制数据选择器模块输出IN1的信号，增益随gain增大而增大，斜率为正；当MODE接高电平时，MODE控制数据选择器模块输出IN2的信号，增益随gain增大而减小，斜率为负。在设计数据选择器时，将IN1和IN2分别输入对称的一组数据(A<n>和A<48-n>)以便实现对称的翻转。

本发明通过一种基于R-2R结构的低噪声可控增益放大电路，区别于固定增益放大器，本设计可以通过外部输入增益控制信号，控制基于R-2R结构增益衰减网络中开关的打开或关闭，不仅可以实现0dB到-48dB的逐dB精确增益调节，且极大简化了电路结构，使放大器适用于大范围增益变化环境且容易与其他模块集成。另外该设计中的逻辑控制模块提供增益翻转功能，使该模块具有两种工作方式，增加了其应用范围。另外本发明中的可控增益放大器采用低噪声输入级，极大减小了输入***的噪声。本设计相比其他设计的不同在于，本设计在可以正确实现0dB到-48dB的逐dB精确增益调节的前提下，电路结构更加简单，等效输入噪声更低，可通过外部增益控制信号直接控制得到需要的增益，本设计可以应用于高精度智能传感器中，具有一定的独特性。

综上所述，本发明实现了高精度的增益调节，并且简化了电路结构，提高了增益放大器的稳定性及可靠性。

Claims (9)

1.可控增益放大器，其特征在于，包括逻辑控制模块以及可控增益模块，所述可控增益模块包括增益衰减网络，所述增益衰减网络包括粗调网络以及细调网络，所述粗调网络包括多位R-2R电阻网络以及多个开关，每一位R-2R电阻结构通过一个开关与可控增益模块的输出端连接，所述细调网络包括多个串联的电阻以及多个开关，每一个电阻通过一个开关与可控增益模块的输出端连接；

所述逻辑控制模块用于将外部输入的增益控制信号进行处理，生成相应开关控制信号控制增益衰减网络中粗调网络以及细调网络中开关的关闭，以实现增益的精确调节。

2.根据权利要求1所述的可控增益放大器，其特征在于，所述可控增益模块还包括BJT低噪声输入级，所述BJT低噪声输入级与增益衰减网络连接。

3.根据权利要求1或2所述的可控增益放大器，其特征在于，所述的可控增益放大器还包括push-pull输出级，所述push-pull输出级与可控增益模块连接。

4.根据权利要求3所述的可控增益放大器，其特征在于，所述逻辑控制模包括比较器阵列以及Code单元，所述比较器阵列包括多个比较器、多个电阻以及放大器，多个电阻串联后一端接地，另一端接外部电源，放大器的输出端分别与各个比较器的负输入端连接，各个比较器的正输入端分别并联一个电阻，各个比较器的输出端均与Code单元连接。

5.根据权利要求4所述的可控增益放大器，其特征在于，所述将外部输入的增益控制信号进行处理，生成开关控制信号的具体过程包括：

外部输入的增益控制信号首先经过放大器放大后输出到比较器阵列中各个比较器的负输入端，与正输入端参考电压比较，将比较结果输出到Code单元进行处理后，生成开关控制信号。

6.根据权利要求5所述的可控增益放大器，其特征在于，所述Code单元包括与门阵列、数据选择器阵列以及开关控制信号阵列；所述与门阵列包括多个与门电路；所述数据选择器阵列包括多个数据选择器，所述数据选择器包括传输门以及反相器，并有两个数据通道；所述开关控制信号阵列由多个或非门和与非门的组合形成。

7.根据权利要求6所述的可控增益放大器，其特征在于，所述Code单元包括增益斜率翻转功能，实现增益斜率翻转的具体方法包括：

外部输入的增益斜率翻转信号经过取反后输出到每个数据选择器传输门，当增益斜率翻转信号为低电平时，控制数据选择器从其中一个数据通道输出信号，此时增益随外部输入的增益控制信号的增大而增大，斜率为正；当增益斜率翻转信号为高电平时，控制数据选择器从另一个数据通道输出信号，此时增益随外部输入的增益控制信号的增大而减小，斜率为负；然后对两个数据通道分别输入一组对称的数据，得到对称的翻转以实现增益斜率翻转。

8.根据权利要求6所述的可控增益放大器，其特征在于，所述将比较结果输出到Code单元进行处理后，生成开关控制信号具体过程包括：

将增益衰减网络中的多个开关进行组合得到相应变化的增益范围，并形成相应开关控制表；根据相应开关控制表对比较器阵列输出的数据进行与门阵列的逻辑运算，然后将运算结果输出到数据选择器阵列，经过数据选择器阵列处理后输出到开关控制信号阵列，经过开关控制信号阵列的逻辑运算后生成相应开关控制信号。

9.根据权利要求8所述的可控增益放大器，其特征在于，所述与门阵列的逻辑运算为：

n为大于等于0的整数，Vcomp＜n+1＞为第n+1个比较器的输出结果，Vcomp＜n+2＞为第n+2个比较器的输出结果，Vcomp＜n+3＞为第n+3个比较器的输出结果。

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