可变增益带通放大电路及可增益带通放大电路的切换控制方法

摘要

本发明提供了一种可变增益带通放大器电路及可增益带通放大电路的切换控制方法，其特征在于还包括电阻R3、电阻R5、第一可变增益切换电路、第二可变增益切换电路，其中电阻R3一端连接于电容C1和电阻R1间，电阻R3的另一端连接第一可变增益切换电路的输出端，电阻R5一端连接于电容C1和电阻R1间，电阻R5的另一端连接第二可变增益切换电路的输出端，放大器的正向输入端接收输入信号Ui，放大器的输出端输出信号Uo，第一可变增益切换电路的输入端接收第一可变增益切换控制信号Uc1，第二可变增益切换电路的输入端接收第二可变增益切换控制信号Uc2，电阻R3大于电阻R5的阻值。本发明可以实现增益值可变，在接收距离较远时保证足够大的信号幅值，方便后续信号处理与检测，且电路简单，成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种带通放大电路，特别涉及一种微弱传感器信号处理的可变增益带通 放大电路及可增益带通放大电路的切换控制方法。

背景技术

在传感器接收电路中，接收到信号都是很微弱的，为将其微弱信号放大到能被检测 的水平时，第一级信号放大需要使用到前置放大电路。经第一级前置放大电路放大的信 号，其幅值较小，一般还不能直接用于信号处理和分析。现有的办法是用一级前置放大 器放大信号用于后续的信号处理和分析，这样一方面需要使用很高增益带宽的集成运放， 高增益带宽的集成运放，其价格也是很昂贵的，这会造成设计成本增加，另一方面，高 增益的放大电路，也会增加噪声增益，引入更多的噪声信号，同时，极易造成高频信号 部分的不稳定。若在前置放大器后再增加一级固定放大倍数集成运放电路，虽能解决上 述问题，但仍存在增益值为一个固定值特性，对于大部分传感器接收信号均存在接收距 离越远，信号幅值衰减就越大，经其放大后，信号幅值会出现偏小情况，不能满足后续 信号处理和检测的要求；若使用固定大增益的放大倍数，传感器近距离接收时，会导致 放大信号饱和失真。若使用集成的增益可调的集成运放，其可调整值是固定的，存在可 更改放大倍数的灵活性不够的缺陷。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出了一种新的可变增益带通放大电路，可以实现增 益值可变，在接收距离较远时保证足够大的信号幅值，方便后续信号处理与检测，在传 感器近距离接收时，避免放大信号饱和失真的情况。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例，提出了一种可变增益带通放大 电路，包括放大器(1)和并联连接于所述放大器(1)的信号输出端和负向输入端的电 容C₂、电阻R₂，还包括依次串联于所述放大器(1)的负向输入端和接地间的电容C₁、 电阻R₁，其特征在于还包括电阻R₃、电阻R₅、第一可变增益切换电路(2)、第二可变 增益切换电路(3)，其中电阻R₃一端连接于电容C₁和电阻R₁间，电阻R₃的另一端连接 所述第一可变增益切换电路(2)的输出端，电阻R₅一端连接于电容C₁和电阻R₁间，电 阻R₅的另一端连接所述第二可变增益切换电路(3)的输出端，所述放大器(1)的正向 输入端接收输入信号U_i，放大器(1)的输出端输出信号U_o，所述第一可变增益切换电 路(2)的输入端接收第一可变增益切换控制信号U_c1，所述第二可变增益切换电路(3) 的输入端接收第二可变增益切换控制信号U_c2，所述电阻R₃大于电阻R₅的阻值。

根据本发明的可变增益带通放大电路，电容C₁和电阻R₁构成低频通路，电阻R₂和电 容C₂构成负反馈通路，电阻R₃接收第一可变增益切换电路(2)切换控制，电阻R₅接收 第二可变增益切换电路(3)切换控制；放大器1的正向输入端接收来自前置放大电路放 大后的传感器信号U_i，经放大器1的输出端输出信号U_o，输出信号U_o经负反馈通路的高 频通路电阻R₂和电容C₂反馈至放大器1负向输入端，再经所述的放大器1的负向输入端 流向地有三条支路，分别是一是低频通路电阻R₁和电容C₁支路，二是通过电阻R₃接可变 增益切换控制电路(2)支路，三是通过电阻R₅接可变增益切换控制电路(3)支路；在 接收距离较远时，通过可变增益切换控制电路(2)控制电阻R₃与接地端导通或/和可变 增益切换控制电路(3)控制电阻R₅与接地端导通，从而实现输出信号U_o的幅值增高以 满足后续信号处理和检测的要求；当接收距离很近时，通过可变增益切换控制电路(2) 控制电阻R₃与接地端断开或/和可变增益切换控制电路(3)控制电阻R₅与接地端断开， 实现输出信号U_o的幅值降低从而避免放大信号饱和失真。

进一步的，所述第一可变增益切换电路(2)包括第一三极管Q₁、电阻R₄和电阻R₇, 所述第一三极管Q₁的集电极输出连接于电阻R₃的另一端，所述第一三极管Q₁的发射极接 地，电阻R₄的一端与所述第一三极管Q₁的基极连接，电阻R₄另一端连接第一可变增益切 换控制信号U_c1，电阻R₇一端与所述第一三极管Q₁的基极连接，电阻R₇另一端接地；所 述第二可变增益切换电路(3)包括第二三极管Q₂、电阻R₆和电阻R₈,所述第二三极管Q₂的集电极输出连接于电阻R₅的另一端，所述第二三极管Q₂的发射极接地，电阻R₆的一端 与所述第二三极管Q₂的基极连接，电阻R₆另一端连接第二可变增益切换控制信号U_c2， 电阻R₈一端与所述第二三极管Q₂的基极连接，电阻R₈另一端接地。

进一步的，所述第一可变增益切换电路(2)还可以包括金属氧化物半导体场效应管 (MOSFET)Q₁、电阻R₄和电阻R₇,所述金属氧化物半导体场效应管Q₁的漏极输出连接于 电阻R₃的另一端，所述金属氧化物半导体场效应管Q₁的源极接地，电阻R₄的一端与所述 金属氧化物半导体场效应管Q₁的栅极连接，电阻R₄另一端连接第一可变增益切换控制信 号U_c1，电阻R₇一端与所述金属氧化物半导体场效应Q₁的栅极连接，电阻R₇另一端接地； 所述第二可变增益切换电路(3)包括金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)Q₂、电阻R₆ 和电阻R₈,所述金属氧化物半导体场效应管Q₂的漏极输出连接于电阻R₅的另一端，所述 金属氧化物半导体场效应管Q₂的源极接地，电阻R₆的一端与所述金属氧化物半导体场效 应管Q₂的栅极连接，电阻R₆另一端连接第二可变增益切换控制信号U_c2，电阻R₈一端与 所述金属氧化物半导体场效应Q₂的栅极连接，电阻R₈另一端接地。

本发明的可变增益带通放大电路可实现其带通滤波放大功能，其中三极管Q₁、三极 管Q₂为开关管，第一可变增益切换电路(2)的第一可变增益切换控制信号U_c1控制三极 管Q₁的通断，以实现电阻R₃接地与否，第二可变增益切换电路(3)输出端输出的第二 可变增益切换控制信号U_c2控制三极管Q₂的通断，以实现电阻R₅接地与否，进而实现低 频通路中电阻值大小的自动切换调整，最终实现，放大器(1)的输出端输出信号U_o幅 值大小的调整。

本发明第二方面的目的在于提出如前所述的可增益带通放大电路的切换控制方法， 包括如下步骤：S10:根据系统对输出信号U_o幅值要求，设置第一触发阈值U_th1和置第二 触发阈值U_th2作为启动和停止第一可变增益切换电路(2)和第二可变增益切换电路(3)的 切换电压，其中U_th2＞U_th1；S20:若输出信号U_o的幅值低于阈值U_th1，所述的第一可变增 益切换电路(2)的控制信号U_c1或/和第二可变增益切换电路(3)的控制信号U_c2才启动切 换；S30:若输出信号U_o的幅值大于U_th2，所述的第一可变增益切换电路(2)的控制信号 U_c1或/和第二可变增益切换电路(3)的控制信号U_c2将停止切换。

进一步的，在于步骤S20中，包括步骤S21:首先控制信号U_c1启动所述第一可变增益 切换电路(2)切换，使得电阻R₃与所述电阻R₁并联，再判断输出信号U_o的幅值是否低于 阈值U_th1；S22:若输出信号U_o的幅值仍然低于阈值U_th1，则控制信号U_c1停止所述第一可 变增益切换电路(2)切换，而控制信号U_c2启动所述第二可变增益切换电路(3)切换，使得 电阻R₅与所述电阻R₁并联，再判断输出信号U_o的幅值是否低于阈值U_th1；S23：若输出信 号U_o的幅值仍然低于阈值U_th1，控制信号U_c1启动所述第一可变增益切换电路(2)切换， 控制信号U_c2启动所述第二可变增益切换电路(3)切换，此时电阻R₃、电阻R₅与电阻R₁一 起并联。

进一步的，在于步骤S30中，包括步骤S31：首先控制信号U_c2停止所述第二可变增 益切换电路(3)切换，使得只有电阻R₅与电阻R₁并联，再判断输出信号U_o的幅值是否高 于阈值U_th2；S32:若输出信号U_o的幅值仍然大于阈值U_th2，则控制信号U_c1启动所述第一 可变增益切换电路(2)切换，而控制信号U_c2停止所述第二可变增益切换电路(3)切换，使 得电阻R₃与所述电阻R₁并联，再判断输出信号U_o的幅值是否高于阈值U_th2；S33：若输 出信号U_o的幅值仍然大于阈值U_th2，则控制信号U_c1停止所述第一可变增益切换电路(2) 切换，而控制信号U_c2停止所述第二可变增益切换电路(3)切换，电阻R₃、电阻R₅都不与 电阻R₁并联。

本发明的可增益带通放大电路的切换控制方法通过设置输出信号U_o触发阈值，并根 据触发阈值启动和停止切换可变增益切换电路，使得不论是在距离较远或是距离较近时 放大器的输出信号都保持在合适的幅值范围内。

本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

(1)本发明采用三极管或MOSFET器件作为增益切换控制电路，通过改变低频通路的 阻值，实现放大器在通频带内的增益可调。

(2)本发明增益切换控制信号获取，可通过软件判断或硬件比较等触发方式获取，可 快速进行切换和关闭切换，且方便，灵活性高。

(3)本发明增益切换电路的控制电路使用三极管结构，它可实现稳定切换，其结构简 单，体积较小，成本低。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得 明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明 显和容易理解，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的可变增益带通放大电路的结构示意图；

图2(a)为本发明近距离接收信号时，可变增益切换电路切换前，因放大倍数过大 导致饱和失真效果图；

图2(b)为本发明近距离接收信号时，关闭可变增益切换电路后，信号放大正常的 效果图；

图3(a)为本发明远距离接收信号时，未启动可变增益切换电路切换前，因放大后 导致信号输出过小的效果图；

图3(b)为本发明远距离接收信号时，启动可变增益切制电路切换后，信号放大正 常的效果图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施 方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实 施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以 采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开 的具体实施例的限制。

下面结合图1，对本发明的实施例的可变增益带通放大电路的一个具体实施例进行 具体说明。

如图1所示，根据本发明的实施例的可变增益带通放大电路包括放大器(1)，电容 C₂、电阻R₂、电容C₁、电阻R₁、第一三极管Q₁和第二三极管Q₂，电阻R₃大于电阻R₅的 阻值，所述电容C₂和电阻R₂分别并联连接于所述放大器1的负向输入端6、信号输出端 7，所述放大器(1)的负向输入端6依次串联电容C₁、电阻R₁后接地，电阻R₃一端连接 于电容C₁和电阻R₁间，电阻R₃的另一端连接第一三极管Q₁的集电极，三极管Q₁的发射 极接地，电阻R₄的一端与所述三极管Q₁的基极连接，电阻R₄另一端连接第一可变增益切 换控制信号U_c1，电阻R₇一端与所述三极管Q₁的基极连接，电阻R₇另一端接地；电阻R₅一端连接于电容C₁和电阻R₁间，电阻R₅的另一端连接第二三极管Q₂的集电极，电阻R₆的 一端与所述第二三极管Q₂的基极连接，电阻R₆另一端连接第二可变增益切换控制信号 U_c2，电阻R₈一端与所述第二三极管Q₂的基极连接，电阻R₈另一端接地，放大器(1) 的输出端7输出信号U_o。电容C₁和电阻R₁构成低频通路，电容C₂和电阻R₂构成负反馈 通路，所述第一三极管Q₁、电阻R₄和电阻R₇构成第一可变增益切换电路(2)，第二三 极管Q₂、电阻R₆和电阻R₈构成第二可变增益切换电路(3)，输出信号U_o经负反馈通路 的高频通路电阻R₂和电容C₂反馈至放大器1负向输入端6，再经所述的放大器1负向输 入端6流向有三条支路选择项，一是低频通路电容C₁和电阻R₁支路，二是通过可变增益 切换电阻R₃接可变增益切换电路2支路，三是通过可变增益切换电阻R₅接可变增益切换 控制电路3支路。

在接收距离较近时，输出信号U_o值为2.5V，处于饱和失真状态，失真效果图如图2 (a)所示，通过可变增益切换电路(2)控制电阻R₃与接地端断开或/和可变增益切换控 制电路(3)控制电阻R₅与接地端断开，从而实现输出信号U_o的幅值降低从而避免放大 信号饱和失真，如图2(b)所示输出信号U_o的幅值达到正常状态；当接收距离很远时， 输出信号U_o的值为0.2V，幅值较低，其效果图如图3(a)所示，不能满足后续信号处 理和检测的要求，而通过可变增益切换控制电路(2)控制电阻R₃与接地端导通或/和可 变增益切换控制电路(3)控制电阻R₅与接地端导通，实现输出信号U_o的幅值增高以满 足后续信号处理和检测的要求，其输出信号U_o的效果如图3(b)所示。

本发明中的另一个具体实施例可以用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)代 替附图1中三极管，其中的电路接线连接关系中的差异是MOSFET的栅极对应于三极管的 基极，MOSFET的漏极对应于三极管的集电极，MOSFET源极对应于发射极。当然，本发明 的再一个具体实施例还可以是用继电器替代附图1中的三极管，具体连接关系类同，此 处不再详述。

如上实施例所述的可增益带通放大电路，其切换控制方法包括以下步骤：

S10:根据系统对输出信号U_o幅值要求，设置第一触发阈值U_th1和设置第二触发阈值 U_th2作为启动和停止第一可变增益切换电路(2)和第二可变增益切换电路(3)的切换电压， 其中U_th2＞U_th1；

S20:若输出信号U_o的幅值低于阈值U_th1，所述的第一可变增益切换电路(2)的控制 信号U_c1或/和第二可变增益切换电路(3)的控制信号U_c2才启动切换；

S30:若输出信号U_o的幅值大于U_th2，所述的第一可变增益切换电路(2)的控制信号 U_c1或/和第二可变增益切换电路(3)的控制信号U_c2将停止切换。

进一步的，在步骤S20中，还包括步骤

S21:首先控制信号U_c1启动所述第一可变增益切换电路(2)切换，使得电阻R₃与所述 电阻R₁并联，再判断输出信号U_o的幅值是否低于阈值U_th1；

S22:若输出信号U_o的幅值仍然低于阈值U_th1，则控制信号U_c1停止所述第一可变增益 切换电路(2)切换，而控制信号U_c2启动所述第二可变增益切换电路(3)切换，使得电阻R₅与所述电阻R₁并联，再判断输出信号U_o的幅值是否低于阈值U_th1；

S23：若输出信号U_o的幅值仍然低于阈值U_th1，控制信号U_c1启动所述第一可变增益 切换电路(2)切换，控制信号U_c2启动所述第二可变增益切换电路(3)切换，此时电阻R₃、 电阻R₅与电阻R₁一起并联。

所述第一控制信号U_c1和第二控制信号U_c2，可由软件算法判断触发条件后，由MCU 等控制器提供，也可由硬件电路比较触发条件后，由比较电路提供，以实现对所述第一 可变增益切换电路(2)和/或所述第二可变增益切换电路(3)的切换与否。

进一步的，在步骤S30中，还包括步骤

S31：首先控制信号U_c2停止所述第二可变增益切换电路(3)切换，使得只有电阻R₅与 电阻R₁并联，再判断输出信号U_o的幅值是否高于阈值U_th2；

S32:若输出信号U_o的幅值仍然大于阈值U_th2，则控制信号U_c1启动所述第一可变增益 切换电路(2)切换，而控制信号U_c2停止所述第二可变增益切换电路(3)切换，使得电阻R₃与所述电阻R₁并联，再判断输出信号U_o的幅值是否高于阈值U_th2；

S33：若输出信号U_o的幅值仍然大于阈值U_th2，则控制信号U_c1停止所述第一可变增 益切换电路(2)切换，而控制信号U_c2停止所述第二可变增益切换电路(3)切换，电阻R₃、 电阻R₅都不与电阻R₁并联。

根据本发明的可变增益带通放大电路及其切换控制方法，下面将详述一种压电式信 号的可变增益带通放大电路，其信号源的频率为70kHz，信号幅度近距离接收经前置放 大后约为150mV，运距离接收经前置放大后信号幅度约为15mV，放大器1供电电压为5V， 可实现其带通滤波放大功能的，具体电路中器件参数选取和实现方法的步骤如下：

1、输出信号U_o幅值最大峰峰值以供电电压为停止切换可变增益控制电路的触发阈 值U_th2＝2.4V，识别最小信号强度，由电路噪声密度和ADC精度决定，即信噪比大于20dB， 启动切换可变增益控制电路的触发阈值U_th1＝0.5V；

2、根据基尔霍夫电流电压定律，建立本发明的可变增益带通放大电路的传递函数

$H\left(s\right)=\frac{R_2}{R_1}\times \frac{s}{(s+\frac{1}{{R_1}^{\prime }{C_1}^{\prime }})(R_2{C}_{2}s+1)}+1;$

其中，所述可变增益带通放大电路的高频截至频率为低频截至频率为 需说明的是R₁'，C₁'分别表示R₁，C₁引入切换增益电路后的等效电阻和电 容值，其中，R₁'值大小有四种情况，一是近似等于为R₁；二是近似等于R₁与所述电阻R₃并联；三是近似等于R₁与所述切换电阻R₅并联；四是近似等于R₁与所述切换电阻R₃和所 述切换电阻R₅三者并联；C₁'约等于C₁，因为R₁'与C₁'构成是低通通道，C₁的值远大于所 述切换控制电路使用的三极管或MOSFET寄生电容；

3、根据第2步的传递函数H(s)，其噪声增益近似为为保障信号的质量， 等效电阻R₁'取值范围应该为200Ω～1kΩ；

4、根据1、2步三个信号检测边界条件，可以得到R₁、R₃、R₅三个电阻取值范围；

5、根据第3步的传递函数H(s)，可推导出中心频率

6、运用第3步的传递函数H(s)，可推导出通频带增益

7、为保障通频带内保障可变增益带通放大电路的稳定性，即无凸峰值(即阻尼系数 出现，根据第传递函数H(s)，可推导出品质因数

8、以信号的频率f₀，切换触发阈值U_th1，U_th2，品质因数Q等为已知条件，联立第5、 6、7步表达式，可分别得到R₂，C₂，C₁取值范围；

9、根据信号的频率f₀，第6步的增益G和第7步的品质因数Q，确定放大器1增益 带宽范围；

10、为保障切换控制电路状态的稳定性，确定限流电阻R₄、R₆及偏置电阻R₇、R₈的 其取值范围。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术 人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何 修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。