TWI322565B - Automatic-gain control circuit - Google Patents

Description

1322565 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發月知:供種自動增益控制電路，尤指一種利用可變 電流源來調整增益之自動增益控制電路。 * 【先前技術】 在現代化的資錄會巾，各種文件、數據、資料與影音 資訊都能以電子訊號的方式來加以處理或傳輸，因此可處 理電子訊號的訊號處理電路也就成為了現代化資訊系統中 極為重要的硬體基礎。在資訊系統中，為了能有效地處理 電子訊號，適當地維持訊號的大小幅度是關鍵要素之一， 因此各種增益放大電路也就應運而生^增益放大電路可視 為一放大器，其功能在於將輸入訊號增益後輸出，並透過 * 一控制訊號來調整其增益大小。其中，可變增益放大電路 鲁可對電子訊號的大小幅度進行適當的調整，一般常會將可 變增益放大電路設計為一自動增益控制電路 (Automatic-Gain Contro卜AGC )’以自動地調節電子訊號 的大小幅度。 因為可變增益放大電路的增益可由控制訊號之值來控 制，其增益隨控制訊號變化的情形即為可變增益放大電路 的可變增益特性。一般來說’在設計/製造一可變增益放大 7 電路時，會希望其可變增益雜具妹寬的增益範圍、較 佳的受控特性（像是具有高線性程度），並可適當地抵抗因 製程或運作溫度變異科在因素所導致的特性漂移。具有 較大增益範圍的可變增益放大電路能夠大幅地改變其增 益，故能適應更多種不同幅度的電子訊號，因而具有較高 的應用價值。可變增益放大電路的受控特性越好，代表其 增益變化的情形能被更清楚明確地被掌控，也就能實現出 較佳的可變增益特性。當可變増益放大電路可適當地抵抗 製程或溫度變異所導致的特性漂移，其可變增益特性將不 會因這些不理想因素而大幅地變化，進而影響系統的整體 表現。 凊參考第1圖’第1圖為先前技術中一可變增益放大電 路10之示意圖。可變增益放大電路10包含一可變增益放 大器（Variable-Gain Amplifier，VGA)12、一峰值檢測電路 (Peak-Detecting Circuit) 14、一固定式充放電電路16，以及 一數位/類比轉換器（Digital-to-Analog Converter，DAC)18。 可變增益放大器12於其輸入端接收一輸入訊號VIN，並依 據一增益控制訊號VCTL來放大輸入訊號VlN，以於其輸出 端產生相對應之輸出訊號ν〇υτ。在可變增益放大電路10 中，增益控制訊號VCTL係由峰值檢測電路14及固定式充 放電電路16依據輸出訊號V〇ut來產生，因此可透過回授 方式來進行自動增益控制。 ^322565 ’ 在先則技術之可變增益放大電路1G巾，藉由數位/類比 轉換器I8輸出不同之臨界訊號Vt，來產生㈣之增益控制 訊號VCTL，因此能調整可變增益放大器12之增益。峰值 檢測電4 14包含一正相差動比較器21、-反相差動比較 器22，和一或閘（ORGate)23。正相差動比較器21之正輸 入端耦接於可變增益放大器12以接收輸出訊號ν〇υτ，而 _ 正相差動比較器21之負輸入端耦接於數位/類比轉換器18 以接收臨界訊號VT’，正相差動比較器21可以利用差動方 式來比較輸出訊號V0UT與臨界訊號VT，之值，並於其輸出 端產生相對應之正相比較訊號V+。反相差動比較器22之 正輸入端耦接於數位/類比轉換器18以接收臨界訊號VT，， 而反相差動比較器22之負輸入端耦接於可變增益放大器 12以接收輸出訊號V0UT，反相差動比較器22可以利用差 動方式來比較輸出訊號VOUT之反相與臨界訊號VT，之值， 魯 並於其輸出端產生相對應之反相比較訊號V-。或閘23耦接 於正相差動比較器21和反相差動比較器22之輸出端’可 依據正相比較訊號V+及反相比較訊號V-來產生相對應之 比較訊號V〇ATE。 固定式充放電電路16包含一電容c、一固定式充電電 流源IP、一固定式放電電流源In、一充電開關SWP ’以及 -一放電開關SWN。充電開關SWP可為一 P型金氧半導體電 9 1322565

晶體(P-type Metal Oxide Semiconductor Transistor，PMOS) 開關SWp，而放電開關SWN可為一 N型金氧半導體電晶體 (N-type Metal Oxide Semiconductor Transistor > NMOS)f^ M SWN。充電開關SWp和放電開關SWN之閘極耦接於或閘 23,當比較訊號VGATE為南電位時’充電開關SWP呈關閉（斷 '路）’放電開關SWN呈開啟(短路）’此時固定式充放電電路 16會透過固定式放電電流源In和放電開關SWn來對電容C 放電；當比較訊號 ν〇ΑΤΕ 為低電位時’充電開關SWp呈開 啟’放電開關SWn呈關閉’此時固定式充放電電路16會 透過固定式充電電流源Ip和充電開關SWP來對電容c充 電。在先前技術之可變增益放大電路10中，固定式充電電 流源Ip和固定式放電電流源IN係提供固定值之充電和放電 電流。 請參考第2圖，第2圖為先前技術之可變增益放大電路 • 10運作時之訊號圖。在第2圖中，輸出訊號ν〇υτ之波形 由弦波來表示，其振幅為vM，而中心準位為。橫軸 代表時間，在第2圖中以-週期(0〜27〇來作說明。當輸 出訊號v0UT之絕對值小於臨界訊號Vt之絕對值時，此時 固定式充放電電路16會執行充電動作’例如在〇 θ)至u + θ)及(27Γ-θ)至k的區間内（由第2圖弦波中 之斜線區域來表示）；當輸出訊號V〇ut之絕對值大於臨界 訊號ντ之絕對值時，此時@定式充放電電路16會執行放 電動作，例如在0至〇_0)及（τγ + 0)至（2；r_0)的區間内 (由第2圖弦波中之空白區域來表示）。0之值相關於臨界 訊號VT之準位，臨界訊號ντ’之絕對值越大，固定式充放 電電路16之充電時間ΤΡ(ΤΡ=4Θ)越長；臨界訊號Vt之絕 對值越小，固定式充放電電路16之放電時間丁Ν(ΤΝ=2π_4 Θ)越長。 當可變增益放大電路10執行充電和放電動作時，充電 電荷QP和放電電荷qn可分別由下列公式來表示： Qp=IpTp=IP(4 Θ )；

Qn=InTn=In(2 π -4 θ ) 當可變增益放大電路Η)穩定時，充電電荷放電電 荷Qn會達到平衡，亦即：

Qp=Qn ; WIp=2 θ /{η ~2Θ) 以Ν來表示ΐΝ/Ιρ之值’θ之值則可由下列公式來表示： Θ=Ί 2 Λ^ + 1 $卜輸出訊號乂㈣之振幅vM與臨界訊號VT，有著下 列關係： VMsin <9 =vy 1322565 . 因此， VM=VTVsin Θ =VT7sin(^x-^-) 2 Ν + 1 為了使可變增益放大電路ίο具較佳的受控特性，一般 會希望臨界訊號VT，之值近於輸出訊號νουτ之目標振幅 νΜ，如此藉由調整臨界訊號ντ’之值即可改變輸出訊號 φ ν〇υτ之值。因此，臨界訊號VT’之絕對值需趨近於目標振 幅VM之絕對值，意即0之值需趨近於π /2，而Ν之值則是 越大越好。在先前技術之可變增益放大電路1〇中，一般會 將N值設為一固定值(例如N=10)，藉由調整臨界訊號ντ’ 之值來改變輸出訊號V0UT之目標振幅VM，而可變增益放 大電路10亦可具有較佳的受控特性。 在先前技術之可變增益放大電路10中，由於臨界訊號 ® Vt’之值近於輸出訊號 V〇uT 之目標振幅vM，需要使用具高 運算速度之正相差動比較器21和反相差動比較器22，才 能準確地判斷輸出訊號乂01；了臨界訊號VT’之間的大小，以 使可變增益放大電路10能正確地在充電與放電之間作切 換。此外’先前技術之可變增益放大電路10亦需使用數位 /類比轉換器18來提供不同的臨界訊號VT’，數位/類比轉 換器18會佔據電路空間，且會消耗能量。 12 放雷Μ電開關SWN。充電開關swp可為—PMQS開關，而 門關：SWN可為—NM0S開關。充電開關swp和放電 二 ：之間極輕接於運算邏輯單元43,當比較訊號 sw:问電位時，充電開關SWp呈關閉（斷路），NM0S開 . N呈開啟(短路）’此時可調整式充放電電路36會透過 I式玫電電流源ιΝ，和放電開關SWn來對電容c放電； 田較訊號vGATE為低電位時，充電開關SWp呈開啟，放 • —關1Wn呈關閉’此時可調整式充放電電路36會透過 固疋式充電電流源ip和充電開關SWp來對電容c充電。在 本發月之可變增盈放大電路3〇中固定式充電電流源^ 和可變式放電電流源I n ’所提供充電和放電電流之間的比 值為可調整。 15 1 月參考第4圖，第4圖為本發明之可變增益放大電路 30運作時之訊號圖。在第4圖中，輸出訊號ν〇υτ之波形 _由弦波來表示，其振幅為VM ’而中心準位為vREF。橫轴 代表時間，在第4圖中以一週期（〇〜27J：)來作說明。在第4 圖之實施例中，假設第一參考訊號Vti與第二參考訊號Vt2 之值皆設為一固定之臨界訊號¥丁，當輸出訊號ν〇υτ之絕 對值小於臨界訊说Vt之絕對值時，此時可調整式充放電電 路36會執行充電動作，例如在〇至0、（冗^)至（π + β) 及（2ττ_0)至2ττ的區間（由第4圖弦波中之斜線區域來表 示）；當輸出訊號V〇UT之絕對值大於臨界訊號乂7之絕對值 1322565 時，此時充放電電路36會執行放電動作，例如在0至（π-Θ)及（7Γ + Θ)至（2;r-0)的區間（由第4圖弦波中之空白區 域來表示）。Θ之值相關於臨界訊號VT之準位，臨界訊號 VT之絕對值越大’可調整式充放電電路36之充電時間 TP(Tp=4 0 )越長；臨界訊號ντ之絕對值越小，可調整式充 放電電路36之放電時間Τν(Τν=2τγ-4 6>)越長。 當可變增益放大電路30執行充電和放電動作時，充電 電荷Qp和放電電荷Qn可分別由下列公式來表示： Qp=IpTp=IP(4 Θ ) i

Qn=InTn=In(2 π -4 θ ) 當可變增益放大電路3〇穩定時，充電電荷QP和放電電 何Qn會達到平衡，亦即：

Qp=Qn=; Ιν/Ιρ=2 θ /( π -2 θ ) 以Ν’來表示Ιν’/Ιρ之值，0之值則可由下列公式來表示： θ=[乂 '、 2 A^'+l

此外，輸出訊號V〇UT之振幅Vm與臨界訊號 關係： ’卜夕J

VMsin Θ =VT 1322565 因此， VM=VT/sin <9 =VT/Sin(£xj^_、 2 在本發明第—實施例之可變增益放大電路3G中，臨界 訊號VT之值為固定， 且不兩要逼近於輸出訊號v0UT之目 標振幅vM ’並可藉由敕 調IN之值來改變可變增益放大器 32之增益。因此，太双nn仲a 發月僅4使用具低/中運算速度之正相 差動比較器41和反相至紅相 差動比較器42，即能準確地判斷輸 = :::與臨界訊號W間的大小，以使可變增益放 匕正確地在充電與放電之間作切換，因此能節省 差動比較器的成本。并冰 卜’本發明之可變增益放大電路3〇 不需使用數位/類比轉換器來提供的臨界訊號而是提 供固疋值之第&第二參考訊號Vti和Vn(第—及第二參 考訊號VT1和VT2可同時設為一固定之臨界訊號Vt)，因此 能節省電路空間並降低能量消耗。 請參考第5圖，第5圖為本發明第二實施例中一可變增 益放大電路50之示意圖。可變增益放大電路5〇包含一可 變增益放大器32、一峰值檢測電路34、一可調整式充放電 電路56 ’以及一濾波器38。在本發明第二實施例中，可調 整式充放電電路56係包含一電容C、一可變式充電電流源 Jp’、一固定式放電電流源In、一充電開關SWP，以及一放 1322565 電開關SWN。同樣以Ν’來表示IN/IP’之值，並假設第一參 考訊號VT1與第二參考訊號VT2之值皆設為一固定之臨界 訊號Vj，輸出訊號V〇ut之振幅Vm與臨界訊號Vt亦有下 列關係： VM=VT/sin Θ =VT/sin(|x-^-) _ 因此本發明第二實施例之可變增益放大電路50亦可藉 由調整Ν’之值來改變可變增益放大器32之增益。僅需使 用具低/中運算速度之正相差動比較器41和反相差動比較 器42,可變增益放大電路50即能準確地判斷輸出訊號VOUT 與臨界訊號VT之間的大小，以正確地在充電與放電之間作 切換，因此能節省差動比較器的成本。此外，本發明第二 實施例之可變增益放大電路50亦不需使用數位/類比轉換 器來提供不同的臨界訊號，而是提供固定值之第一及第二 參考訊號Vji和Vt2(第'及第二參考訊號VtI和Vt2可同時 設為一固定之臨界訊號ντ)，因此能節省電路空間並降低 能量消耗。 請參考第6圖，第6圖為本發明第三實施例中一可變增 益放大電路60之示意圖。可變增益放大電路60包含一可 變增益放大器32、一峰值檢測電路34、一可調整式充放電 電路66，以及一濾波器38。在本發明第三實施例中，可調 18 1322565 整式充放電電路66係包含一電容C、一可變式充電電流源 Ip，、一可變式放電電流源In，、一充電開關SWP，以及一放 電開關SWN。同樣以Ν’來表示IN’/IP，之值，並假設第一參 考訊號VT1與第二參考訊號vT2之值皆設為一固定之臨界 訊號Vt ’輸出訊號V0UT之振幅VM與臨界訊號VT亦有下 列關係： • VM=VT/sil^=VT/sin(|x点） 因此本發明第三實施例之可變增益放大電路60亦可藉 由調整N，之值來改變可變增益放大器32之增益。僅需使 用具低/中運算速度之正相差動比較器41和反相差動比較 器42’可變增益放大電路6〇即能準確地判斷輸出訊號ν〇υτ 與臨界訊號VT之間的大小，以正確地在充電與放電之間作 φ 切換，因此能節省差動比較器的成本。此外，本發明第三 實鈿例之可變繒益放大電路60亦不需使用數位/類比轉換 态來提供不同的臨界訊號，而是提供固定值之第一及第二 ’考訊號Vti和VT2(第一及第二參考訊號VT1和VT2可同時 °又為一固定之臨界訊號ντ)，因此能節省電路空間並降低 能量消耗。 本發明之可變增益放大電路使用可變電流源來調整充 電或放電電流之大小，進而調整可變增益放大器之增益 1322565 值。由於僅需使用具低/中運算速度之差動比較器，因此能 節省差動比較器的成本。此外，本發明亦不需使用數位/類 比轉換器來提供不同的臨界訊號，而是提供固定值之臨界 訊號，因此能節省電路空間並降低能量消耗。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專 利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖為先前技術中一可變增益放大電路之示意圖。 第2圖為第1圖之可變增益放大電路運作時之訊號圖。 第3圖為本發明第一實施例中一可變增益放大電路之示意圖。 第4圖為第3圖之可變增益放大電路運作時之訊號圖。 第5圖為本發明第二實施例中一可變增益放大電路之示意圖。 第6圖為本發明第三實施例中一可變增益放大電路之示意圖。 【主要元件符號說明】 12、32可變增益放大器 14、34峰值檢測電路 16 固定式充放電電路18、19數位/類比轉換器 21、41正相差動比較器 22、42反相差動比較器 23 或閘 43 運算邏輯單元 C 電容 38 濾波器 20 1322565

Ip 固定式充電電流源Ip’ 可變式充電電流源

In 固定式放電電流源In ’ 可變式放電電流源 SWp 充電開關 SWN 放電開關 36、56、66 可調整式充放電電路 10、30、50、60 可變增益放大電路

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Claims (1)

1322565 十 、申請專利範圍： 一種利用可變電流源來調整增益之自動增益控制 (Automobile-Gain Control)電路，其包含： 了 變增盈放大器（Variable-Gain Amplifier，VGA)，用 來接收一輸入訊號，並依據一增益控制訊號來調整 該輸入訊號之值以產生一相對應之輸出訊號； 峰值檢測電路(peak_detecting Circuit)，輕接於該可變 增盈放大器，用來依據一參考訊號和該輸出訊號產 生一比較訊號；以及 了調JE-式充放電電路’該可調整式充放電電路之輸入 接於該峰值檢測電路，該可調整式充放電電路 之輸出端耦接於該可變增益放大器，用來依據該比 較訊號輪出一充電電流或一放電電流以產生該增 显控制訊號，其中該充電電流和該放電電流之比值 為可調整。 2·如請求項1所述之自動增益控制電路，其中該可調整 式充放電電路係包含： 可變式充電電流源，用來提供一可變充電電节. 固疋式放電電流源，用來提供一固定放電電节. 第開關，用來依據該比較訊號來控制讀可變式充電 電流源和該可調整式充放電電路之輸出端之間的 電流流通路徑；以及 22 丄J厶厶JO：) 第“，關用來依據該比較訊號來控制該固定式放電 、L源和該可調整式充放電電路之輸出端之間的 電流流通路徑。 3如/求項2所述之自動增益控制電路，其另包含： 一電容’純於該可調整式充放電電路之輸出端，用來 依據該可遵充電電流及該固定放電電流來產生該 增益控制訊號。 4.如明求項2所述之自動增益控制電路，其中該第一開 關係為一 P型金氧半導體電晶體(P-type Metal Oxide Semiconductor Transistor ’ PMOS)開關，而該第二開關 係'為 N型金氧半導體電晶體(N-type Metal Oxide Semiconductor Transistor，NMOS)開關。 5·如請求項1所述之自動增益控制電路，其中該可調整 式充放電電路係包含： 一固定式充電電流源，用來提供一固定充電電流； 一可變式放電電流源，用來提供一可變放電電流； 一第一開關’用來依據該比較訊號來控制該固定式充電 電流源和該可調整式充放電電路之輸出端之間的 電流流通路徑；以及 一第二開關，用來依據該比較訊號來控制該可變式放電 23 電流源和該可調整式充放電電路之輸出端之間的 電流流通路徑。 如請求項5所述之自動增益控制電路，其另包含： 一電容，耦接於該可調整式充放電電路之輸出端，用來 依據該固定充電電流及該可變放電電流來產生該 增益控制訊號。 如請求項6所述之自動增益控制電路，其中該第一開 關係為一 P型金氧半導體電晶體開關，而該第二開關 係為一 N型金氧半導體電晶體開關。 如請求項1所述之自動增益控制電路，其中該可調整 式充放電電路係包含： 一可變式充電電流源，用來提供一可變充電電流； 一可變式放電電流源，用來提供一可變放電電流； 一第一開關，用來依據該比較訊號來控制該可變式充電 電流源和該可調整式充放電電路之輸出端之間的 電流流通路徑；以及 一第二開關，用來依據該比較訊號來控制該可變式放電 電流源和該可調整式充放電電路之輸出端之間的 電流流通路徑。 24 1322565 9. 如請求項8所述之自動增益控制電路，其另包含： 一電容，耦接於該可調整式充放電電路之輸出端，用來 依據該可變充電電流及該可變放電電流來產生該 增益控制訊號。 10. 如請求項8所述之自動增益控制電路，其中該第一開 關係為一 P型金氧半導體電晶體開關，而該第二開關 係為一 N型金氧半導體電晶體開關。 11. 如請求項1所述之自動增益控制電路，其中該峰值檢 測電路係包含： 一正相差動比較器，耦接於該可變增益放大器，用來以 差動方式比較一第一參考訊號和該輸出訊號，並產 生相對應之一正相比較訊號； 一反相差動比較器，耦接於該可變增益放大器，用來以 差動方式比較一第二參考訊號和該輸出訊號，並產 生相對應之一反相比較訊號；以及 一運算邏輯單元，耦接於該正相差動比較器、該反相差 動比較器和該可調式充放電電路，用來依據該正相 比較訊號和該反相比較訊號來產生該比較訊號。 12. 如請求項11所述之自動增益控制電路，其中該運算邏 輯單元係為一或閘（Or Gate)。 25 1322565 I3.如請求項丨1所述之自動增益控制電路，其中該第—參 考訊號和該第二參考訊號為相同。 〆 電路，其另包含一濾 和該峰值檢測電路之 14.如請求項〗所述之自動增益控制 波器，耦接於該可變增益放大器

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