專利名稱：集成多路增益比較控制放大電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外線傳輸裝置，尤其涉及一種放大信號強度的集成多路增益比較控制放大電路。
背景技術(shù)：
眾所周知，當(dāng)無線接收機感應(yīng)到信號時，首先需要先將接收到的信號進行放大，然后再進一步處理放大后的信號。如何放大有用的信號部分、有效去除噪聲對無線電路設(shè)計工程師都是一個挑戰(zhàn)。因為光信號在空中傳輸，周圍的環(huán)境會產(chǎn)生相當(dāng)大的噪聲，例如市內(nèi)燈光、室外太陽光、物體的反射光等，并且，光信號在傳輸中也有能量的損耗。此外，放大電路本身也會產(chǎn)生相當(dāng)大的噪聲，這些噪聲曡加在一起將會影響正確地檢測信號。當(dāng)使用的條件進一步苛刻的情況下，例如，實際操作中，當(dāng)發(fā)射機與接收機的操作范圍(間距)從可觸摸到遠距離變化、工作頻率有十幾倍的差距的時候，如何正確地檢測到輸入信號并放大以作進一步的處理，成為信號處理中很大的挑戰(zhàn)。
集成多路增益比較控制放大電路主要應(yīng)用之一是紅外線傳輸SIR標(biāo)準(zhǔn)的無線接收放大。在紅外線信號傳輸過程中，當(dāng)光接收二極管(Pin Diode)位于光發(fā)射二極管(LED)觸摸距離的位置時，接收信號的電流最高可達10毫安(mA)，而當(dāng)光接收二極管位于光發(fā)射二極管遠距離的位置時，接收信號的電流最低僅10納安(nA)，信號強度相差約1000倍。而光接收二極管根據(jù)性能的不同，感應(yīng)信號的特性也有較大的不同，特別是工作在高頻并且面臨強光時，它的接收響應(yīng)的特性會有較大的變化，產(chǎn)生較大的尾電流。
傳統(tǒng)的無線放大電路是采用AGC電路將輸入信號放大，再與一個基準(zhǔn)電壓比較，如果放大的輸入信號大于這個基準(zhǔn)電壓則認為輸入信號為1，否則為0。然而，當(dāng)AGC電路產(chǎn)生一個較大的動態(tài)范圍的同時，它也會有以下的二點問題1、信號的特性可能會有較大的改變，從而不符合IrDA(Infrared Data Association)的標(biāo)準(zhǔn)；2、當(dāng)發(fā)射和接收機在近距離高頻傳輸，光信號較強時，采用傳統(tǒng)AGC電路會產(chǎn)生較高的誤碼率。
基準(zhǔn)信號的選擇也是放大電路設(shè)計成功的關(guān)鍵。如果按照傳統(tǒng)的放大電路設(shè)計，則當(dāng)信號噪聲較大時，就會產(chǎn)生雙脈沖的現(xiàn)象，特別是工作在高頻并且信號光較強時，強光信號的尾電流很有可能被作為信號檢測出來而產(chǎn)生雙脈沖的現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已知放大電路設(shè)計的不足，從而提供了一種集成多路增益比較控制放大電路，該電路通過將閥值電壓提高到信號的強度，用以解決由于信號經(jīng)過電容所產(chǎn)生的過零現(xiàn)象對信號檢測正確性的影響。
本發(fā)明的集成多路增益比較控制放大電路包括第一級放大電路，包括嵌位電路和自動增益控制電路，用于將電流輸入信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并按照信號的強度作出相應(yīng)的放大，輸出雙極性耦合模擬差分信號，并2位比較基準(zhǔn)電壓信號；第二級放大電路，用于將第一級輸出的信號放大15至20倍增益，輸出雙極性耦合模擬差分信號，并4位比較基準(zhǔn)電壓信號；第三級放大電路，用于將第二級信號放大，輸出單端信號，并5位比較基準(zhǔn)電壓信號；比較檢測放大部分，用于檢測輸出輸入信號并比較輸出信號的強度。
本發(fā)明采用鉗位自動增益控制(AGC)電路和動態(tài)化比較基準(zhǔn)信號原理相結(jié)合，根據(jù)輸入信號的強度動態(tài)放大并調(diào)整比較基準(zhǔn)信號，能夠準(zhǔn)確地對輸入信號進行放大，從而提高紅外線接收機的靈敏度，減低誤碼率。


圖1是本發(fā)明的集成多路增益比較放大電路的整體電路模塊圖；圖2是本發(fā)明第一級放大電路的原理圖；圖3是本發(fā)明第二級放大電路的原理圖；圖4是本發(fā)明第三級放大電路的原理圖；圖5a是本發(fā)明第一級多路比較放大電路的原理圖；圖5b是本發(fā)明第二級多路比較放大電路的原理圖；圖5c是本發(fā)明第三級多路比較放大電路的原理圖；圖6是是包括EN控制位的差分放大器電路的原理圖；圖7是輸入信號的仿真波形；圖8是第一級放大輸出VOUT1m的仿真波形；圖9是第一級放大電路的基準(zhǔn)信號輸出仿真波形(2位信號)；圖10是第二級放大輸出VOUT2m的仿真波形；
圖11是第二級放大電路的基準(zhǔn)信號輸出仿真波形(4位信號)；圖12是最后一級放大輸出VOUT3的仿真波形；圖13是最后一級放大電路的基準(zhǔn)信號輸出仿真波形(5位信號)；圖14是集成多路增益比較控制放大電路輸出信號組波形；圖15是紅外線傳輸SIR標(biāo)準(zhǔn)的接收器應(yīng)用實例的接收信號RxD檢測輸出仿真波形。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖，詳細說明本發(fā)明的電路組成原理以及其仿真效果。
如圖1所示，本發(fā)明包括三級放大增益電路模塊和一個多路比較放大模塊，其中IINp和IINm是光接收二極管(Pin Diode)感應(yīng)的電流信號，通過第一級放大器后輸出VOUT1p和VOUT1m雙級性耦合信號，再作為第二級放大器的輸入信號，通過第二級放大后，輸出VOUT2p和VOUT2m雙級性耦合信號，再作為第三級放大器的輸入信號，通過第三級放大后，輸出VOUT3單端信號。
在每一級放大電路中，都設(shè)計了比較基準(zhǔn)信號REF。每組基準(zhǔn)信號都有相應(yīng)的閥值電壓，通過這些不同基準(zhǔn)信號所產(chǎn)生的對信號差分比較放大器的的開關(guān)信號控制，以達到通過對不同基準(zhǔn)信號的選用而動態(tài)調(diào)整閥值電壓到相應(yīng)的信號強度的目的。
第一級放大器輸出二位REF1<1:0>比較基準(zhǔn)信號，第二級放大器輸出四位REF2<3:0>比較基準(zhǔn)信號，第三級放大器輸出五位REF3<4:0>比較基準(zhǔn)信號。如圖1所示，每一級的輸出信號與相應(yīng)的比較基準(zhǔn)信號都輸出到比較放大電路中，最后產(chǎn)生包含輸入信號信息的11位數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可給后續(xù)的邏輯電路還原輸入信號，圖中，VCC為電源電壓，GDND為地，BIAS用于為放大電路提供偏置電壓。
如圖2所示為本發(fā)明的第一級放大電路的原理圖。第一級放大電路，如圖2所示，將光接收二極管感應(yīng)的電流信號，也就是雙極性輸入信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并進行放大，輸出采用模擬雙極性耦合信號輸出。該級放大電路包括鉗位保護電路模塊、自動增益控制電路以及前后級信號處理匹配模塊，其中鉗位保護電路與自動增益控制電路的組合可達到對輸入信號穩(wěn)定清晰放大的效果，下面具體說明兩個模塊詳細電路組成。
第一級放大電路中的嵌位電路模塊包括晶體管M6-M12以及電阻R1，R2。M6，M7，M8，M9，M12組成差動放大電路，其中，M6、M7的柵極相連接，M8、M9的源級相連接，M12的漏級與M8、M9的源級相連接，源級與地GND相連接；R1、R2為分壓電阻，M10的柵極與M5的柵極相連接，M11與M10的源級、偏置電壓BIAS、以及地GND相連接。該嵌位電路可針對輸入信號懸空以及開路的狀況，通過對地的電流逃逸通路，而對電路起到保護作用。
第一級放大電路中的自動增益控制電路包括放大單元AMP1、晶體管M1-M5、電阻R3、R4。其中AMP1的一個輸入端與R1及R2一端相連接，另一輸入端與M9的柵極相連接，輸出端與M1的柵極相連接，M1的漏級與M2、M3的柵極相連接，M1的源級與地GND相連接，M2的漏級與M3的源級相連接，M2的源級與電源VCC相連接，電阻R3分別連接于M3的源級和漏級，R4分別與R3以及M8的柵極相連接，M5與M4二者的漏級相連接，M4的源級與地相連接。該自動增益控制電路的工作原理首先是由R1和R2兩個電阻產(chǎn)生一個固定的電壓信號，用于限制輸出信號強度的作用。實現(xiàn)的原理是將該固定電壓與輸入信號的強度進行比較。如果輸入信號較大，則自動增益控制電路將不工作，輸入信號將直接通過電阻R5以及電容C1耦合輸出。如果輸入信號小于該固定電壓，自動增益控制電路將啟動工作。該自動增益控制電路將由多種不同的控制方式完成，具體地說，由NMOS晶體管M1作為電流控制開關(guān)控制流經(jīng)圖2所示的A點的電流；由NMOS晶體管M2作為可變電容，用于控制圖2所示的A點的電壓；PMOS晶體管M3作為可變通路電阻，用于控制電路中分壓電阻R3的阻值。該分壓電阻的阻值可被控制降到零歐姆。
所有以上這些控制方式將控制第一級放大電路的輸出信號強度。
如圖3所示為本發(fā)明的第二級放大電路的原理圖，它包括通常的放大單元AMP以及電流控制電路，用于放大該級的輸入信號，第一級放大電路對信號清晰穩(wěn)定地放大后，第二級的放大電路則是在放大的基礎(chǔ)上，盡量降低電路的功率消耗。該級輸出仍采用模擬雙極性耦合信號輸出，同樣是用以去除信號的直流部分，減小噪聲。該級放大電路同時產(chǎn)生4位比較基準(zhǔn)輸出信號REF2。
如圖4所示為本發(fā)明的第三級放大電路的原理圖，包括通常的放大單元AMP以及電流控制電流，該級電路是單端輸出的放大電路，這是因為前二級的放大電路已將信號放大到足夠強的程度，放大電路的噪聲已不再對信號的正確檢測產(chǎn)生很大的影響，所以采用單端輸出。該級放大電路與第二級放大電路的設(shè)計要求相同，主要目的是在放大的基礎(chǔ)上，盡量降低電路的功率消耗，所以也由簡單的放大電路組成。該級放大電路同時產(chǎn)生5位比較基準(zhǔn)輸出信號REF3。
如圖5a、5b、5c所示為各級的比較檢測放大電路。本發(fā)明的各級電路中，每一級放大電路都有各自的比較基準(zhǔn)信號，每個基準(zhǔn)信號都是根據(jù)該級輸出信號的強度分成不同的基準(zhǔn)水平。Ref1是相應(yīng)于第一級放大輸出，由2位信號組成，第一級比較檢測放大電路接收該二位信號，如圖5a所示；Ref2是相應(yīng)于第二級放大輸出，由4位信號組成，第二級比較檢測放大電路接收該四位信號，如圖5b所示；Ref3是相應(yīng)于第三級放大輸出，由5位信號組成，第三級比較檢測放大電路接收該5位信號，如圖5c所示；其中，VIN1、VIN2、VIN3分別是各級的輸出信號，IBIASN為偏置電壓，VDD為各差分放大器工作的電源電壓，Ref1<0>對應(yīng)于最低電平的比較基準(zhǔn)信號，而Ref3<4>對應(yīng)于最高電平的比較基準(zhǔn)信號。根據(jù)不同的比較基準(zhǔn)信號，由11個差分比較放大電路組成的比較檢測放大電路將各級放大輸出信號與比較基準(zhǔn)信號比較放大產(chǎn)生11位的輸出信號Q，每一位信號相應(yīng)于該輸出信號的信號強度。
每一級放大電路都有各自不同的比較基準(zhǔn)信號的位數(shù)。該位數(shù)確定的基本原則是第一級放大電路使用較小的位數(shù)，隨著放大電路的級數(shù)的增加，該位數(shù)相應(yīng)增加。然而位數(shù)越多將增加后續(xù)邏輯電路的復(fù)雜性，并且也將使用較多的差分放大器，需要較大的功率消耗。但如果使用較少的位數(shù)，將影響檢測信號的正確性。本實施例中，設(shè)定的位數(shù)為第一級2位，第二級4位，第三級5位，這是針對紅外線傳輸SIR標(biāo)準(zhǔn)接收器應(yīng)用的最優(yōu)化設(shè)計。
如圖6所示，每一個差分放大器都有一個EN開關(guān)控制輸入信號，這是為了減少電路的功耗，關(guān)閉無需用到的放大器而設(shè)計的。
如圖7～圖15所示為利用本發(fā)明的放大電路的仿真測試波形圖，所有的波形圖都是通過美國Cadence公司的仿真產(chǎn)品Virotosu運行仿真的輸出波形。如圖7所示為光接收二級管的感應(yīng)輸入信號波形，該輸入信號工作在115.2KHz的頻率下，信號強度為2.2毫安(mA)。通過第一級的放大電路，電流電壓轉(zhuǎn)換及放大后，其輸出為VOUT1m，波形如圖8所示，REF1是2位比較基準(zhǔn)信號輸出，分別為REF1<0>、REF1<1>，其波形如圖9所示。其中輸出信號強度主要通過自動增益控制電路中的M1，M2，M3(如圖2所示)控制電流和分流電壓以達到控制信號輸出電壓的作用。圖10是第二級放大電路的輸出信號波形，REF2是該放大電路的4位比較基準(zhǔn)輸出信號，分別為REF2<0>、REF2<1>、REF2<2>、REF2<3>，其波形如圖11所示。最后一級放大電路的輸出信號波形如圖12所示，REF3是其5位比較基準(zhǔn)輸出信號，分別為REF3<0>、REF3<1>、REF3<2>、REF3<3>、REF3<4>，其波形由圖13所示。從圖9，圖11，和圖13可見所有的比較基準(zhǔn)信號的波形都是隨著信號的波形相應(yīng)地變動，而不是單一的直流信號，使電路可以動態(tài)地決定工作范圍。它所起到的作用是抑制掉電路中不需要的雜散信號，所以只有當(dāng)信號相對于比較基準(zhǔn)信號有較大幅度的增大時，才認為是有效信號，從而使電路的正確檢測性能大大提高。各比較基準(zhǔn)信號與相應(yīng)的各級輸出信號進行比較，得到11位的比較輸出信號Q，其波形如圖14所示。由該波形可得知，針對目前的輸入信號強度，閥值電壓設(shè)置在相當(dāng)于第三級放大器VREF<3>的電壓。最后圖15顯示該電路正確地將光接收二級管感應(yīng)紅外線光信號(如圖7所示)通過RXD端口的檢測輸出，該RXD為信號Q的比較檢測輸出。
從圖7中的輸入信號波形中，可以看出該信號的輸入強度較大，達到2.2mA，也有較持續(xù)的尾電流，工作頻率是在115.2Kbps，根據(jù)傳統(tǒng)的設(shè)計通常只能在檢測出第一個脈沖以后產(chǎn)生亂脈沖現(xiàn)象，而應(yīng)用本發(fā)明的電路設(shè)計可正確檢測出所有的脈沖。
權(quán)利要求
1.一種集成多路增益比較控制放大電路，包括第一級放大電路、第二級放大電路、第三級放大電路，其特征在于，還包括比較檢測放大部分，且所述第一級放大電路包括嵌位電路和自動增益控制電路。
2.如權(quán)利要求1所述的集成多路增益比較控制放大電路，其特征在于，所述嵌位電路包括一個差動放大電路以及與其匹配工作的兩個晶體管，用于控制輸入信號懸浮狀態(tài)時的滲漏電流，并在輸入開路狀態(tài)時產(chǎn)生一個對地的逃逸路徑，從而對電路起到保護作用。
3.如權(quán)利要求1所述的集成多路增益比較控制放大電路，其特征在于，所述自動增益控制電路包括兩個匹配工作的NMOS晶體管，該自動增益控制電路中的輸入信號用于與電路中的固定電壓進行比較放大，并控制一個由所述兩個NMOS組成的電流控制開關(guān)電路，當(dāng)自動增益控制電路的輸入信號達到該固定的電壓值時，電流控制開關(guān)電路將關(guān)閉，從而使自動增益控制電路關(guān)閉，信號達到穩(wěn)定輸出。
4.如權(quán)利要求1所述的集成多路增益比較控制放大電路，其特征在于，所述自動增益電路包括一個PMOS晶體管，該晶體管作為可變電容，改變電路的分壓值，從而改變輸出電壓。
5.如權(quán)利要求1所述的集成多路增益比較控制放大電路，其特征在于，所述自動增益電路包括一個由自動增益控制電路控制分壓電阻阻值的電阻，該電阻用于改變電路的電流及分壓電壓，從而改變輸出電壓，該電阻阻值可降為零。
6.如權(quán)利要求1所述的集成多路增益比較控制放大電路，其特征在于，所述第二級放大電路為雙端輸入雙端輸出電路，產(chǎn)生15至20倍增益，并最小化功率消耗，所述第三級放大電路為雙端輸入單端輸出電路，并最小化功率消耗。
7.如權(quán)利要求1所述的集成多路增益比較控制放大電路，其特征在于，所述第一級、第二級以及第三級放大電路產(chǎn)生不同位數(shù)的比較基準(zhǔn)信號，用于比較電路檢測信號的強度，并產(chǎn)生下一步控制相應(yīng)的放大器的開關(guān)控制信號。
8.如權(quán)利要求7所述的集成多路增益比較控制放大電路，其特征在于，第一級放大電路產(chǎn)生2位比較基準(zhǔn)信號，第二級放大電路產(chǎn)生4位比較基準(zhǔn)信號，第三級放大電路產(chǎn)生5位比較基準(zhǔn)信號。
9.如權(quán)利要求1所述的集成多路增益比較控制放大電路，其特征在于，所述比較檢測放大部分包括11個單獨差分放大器，所述第一、第二以及第三級放大電路輸出11位比較基準(zhǔn)信號，作為該11個單獨的差分放大器的輸入比較信號。
10.如權(quán)利要求9所述的集成多路增益比較控制放大電路，其特征在于，所述11個單獨差分放大器包括各自單獨的開關(guān)控制輸入信號，用于關(guān)閉無需用到的檢測放大器，以減小功率的消耗。
全文摘要
本發(fā)明的集成多路增益比較控制放大電路可根據(jù)信號的強度和內(nèi)部放大電路的放大倍數(shù)動態(tài)地調(diào)整電路的閾值電壓，包括第一級放大電路，主要由嵌位電路以及自動增益控制電路組成，用于將電流輸入信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；第二級放大電路，用于將第一級輸出的信號放大15至20倍增益，并4位比較基準(zhǔn)電壓信號；第三級放大電路，用于將第二級信號放大，輸出單端信號，并5位比較基準(zhǔn)電壓信號；比較檢測放大部分，檢測輸出輸入信號并比較輸出信號的強度。本發(fā)明采用鉗位AGC電路和動態(tài)化比較基準(zhǔn)信號原理相結(jié)合，根據(jù)輸入信號的強度動態(tài)放大并調(diào)整比較基準(zhǔn)信號，從而提高紅外線接收機的靈敏度，減低誤碼率。
文檔編號H04B10/06GK1921297SQ200510029100
公開日2007年2月28日 申請日期2005年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月25日
發(fā)明者楊懷德 申請人:上海大締微電子有限公司