寬帶大動態(tài)AGC電路設計

摘要：自動增益控制電路是接收機模塊中的關鍵控制電路之一，其作用是改善接收杌的動態(tài)范圍。具體分析了自動增益控制電路的工作原理以及AGC的分類方式。為了設計寬帶大動態(tài)的AGC電路，分析了可變增益ADL5330和對數(shù)放大器AD8318的電路功能和主要性標，并利用這兩款芯片設計了一種寬帶大動態(tài)AGC模塊，給出了典型電路及測試結果。與傳統(tǒng)AGC電路相該電路結構簡單、體積小，且能實現(xiàn)寬帶、大動態(tài)、低噪聲放大等功能。

關鍵詞：自動增益控制；動態(tài)范圍；對數(shù)增益控制；響應時間；溫度穩(wěn)定性

自動增益控制電路廣泛應用于接收機中，這是由于下列原因造成的：接收機距輻射源的距離可以有很大的變化；電波在空間傳播有明顯的衰落現(xiàn)象；以及其他一些干擾因素，使得作用在接收機輸入端的信號強度有很大變化和起伏。但是，接收機的終端設備一般只能處理幅度變化不大的信號，信號過強過弱或忽大忽小都會使終端設備失效。因此，接收機中非常強調(diào)自動增益控制，來保證接收機輸出信號幅度的平穩(wěn)性。文中以ADL5330作為可變增益放大器利用AD8318作為外部檢波器起控ADL5330的方式，完成了動態(tài)范圍達到60 dB的AGC電路。

1 技術指標和設計方案

本項目相關技術指標為：輸入射頻功率：-56～4 dBm；輸入射頻頻率：1 500+500 MHz；輸出功率：-4dBm。

AGC電路可分為用電控衰減器以及其他模擬電路來完成的模擬式和用數(shù)控衰減器來完成對電路增益控制的數(shù)字式。峰值型AGC電路、選通型AGC、時間-增益控制(STC)均屬于模擬式AGC。綜合考慮幾種AGC電路的性能優(yōu)缺點，雖然峰值型AGC電路在早期的接收機中溫度性能較差，溫度易變化，控制曲線易發(fā)生漂移，但其電路簡潔，是閉環(huán)的AGC，無需外部信號配合使用，如數(shù)字AGC方式需要由信號處理機送AGC控制信號。近年來，隨著技術和工藝手段的飛速發(fā)展，高精確度和溫度穩(wěn)定性較好的對數(shù)檢波器大量涌現(xiàn)以及可變增益放大器VGA的出現(xiàn)，制約AGC溫度性能的因素得到解決，使得該方式電路得到廣泛應用。

2 AGC電路原理分析

AGC電路主要由控制電路和被控電路兩部分組成?？刂齐娐肪褪茿GC直流電壓的產(chǎn)生部分，被控電路的功能是按照控制電路所產(chǎn)生的變化著的控制電壓來改變接收機的增益。

自動增益控制環(huán)路中通常包含的模塊有可變增益放大器、幅度檢測器、對數(shù)放大器、環(huán)路濾波器。如圖1所示，其中Ain和Aout分別是輸入輸出信號的幅度，G(VC)是受電壓VC控制的可變增益放大器的增益。則有，

Aout=G(VC)Ain      (1)

將輸入輸出轉(zhuǎn)化為對數(shù)形式，

其中KV1是跟Ain和Aout單位相同的常數(shù)。

利用(2)式可以得到圖1在對數(shù)域?qū)哪Ｐ停鐖D2所示。虛線框內(nèi)表示的是對數(shù)域內(nèi)的運算。X(t)是輸入信號，Y(t)是輸出信號。

環(huán)路濾波器傳輸函數(shù)為：

如果對等式(6)進行一些限制，它可以成為一個線性方程，它所描述的系統(tǒng)即為線性系統(tǒng)。如果等號右邊第2項的系數(shù)為常數(shù)，可以使得等式(6)成為線性方程，因此令：

由式(12)可知，最終輸出信號為Vref／KV2，且與輸入信號無關，即輸出信號可以恒定于某一固定值。也可以將系統(tǒng)的直流傳輸特性理解為，輸入信號有任意的直流變化，輸出信號的直流變化為零。之所以直流輸出不隨輸入變化，是因為系統(tǒng)的環(huán)路直流增益為無窮大，如果環(huán)路濾波器直流增益不是無窮大，直流輸出也會隨著直流輸入改變略有變化。根據(jù)式(12)可以得到最終輸出電壓的幅度為：

自動增益控制環(huán)路傳輸函數(shù)的頻譜如圖3所示，函數(shù)具有高通特性。環(huán)路濾波器帶寬為零，故傳輸函數(shù)從零開始增大，如果環(huán)路濾波器帶寬為B，則傳輸函數(shù)會從頻率B處開始增大。圖4是自動增益控制環(huán)路直流傳輸特性。當輸入信號幅度很小時，可變增益放大器一直保持最大增益，輸出到達目標功率后環(huán)路開始工作，此時理想環(huán)路的輸出幅度應該恒定不變，實際電路輸出幅度會略有增大，當可變增益放大器到達最小增益后，環(huán)路停止工作，輸出幅度隨輸入幅度增大而增大。

3 AGC電路設計

利用一個VGA(ADL5330)和一個對數(shù)檢波器(AD8318)提供閉環(huán)自動功率控制。由于AD8318具有較高的溫度穩(wěn)定性，而且AD8318 RF檢波器可確保ADL5330 VGA的輸出端具有同樣水平的溫度穩(wěn)定性，因此該電路在整個溫度范圍都能保持穩(wěn)定。該電路還增加了對數(shù)放大器檢波器，用來將ADL5330從開環(huán)可變增益放大器轉(zhuǎn)換為閉環(huán)輸出功率控制電路。AD8318與ADL5330一樣，具有線性dB傳遞函數(shù)，因此Pout對設定點傳遞函數(shù)也遵循線性dB特性。

圖5顯示在AGC環(huán)路中工作的ADL5330。增加對數(shù)放大器AD8318后，該AGC在較寬的輸出功率控制范圍具有更高的溫度穩(wěn)定性。AD8318是一款1 MHz至8 GHz精密解調(diào)對數(shù)放大器，提供較大的檢波范圍(60 dB)，溫度穩(wěn)定性為±0．5 dB。ADL5330的增益控制引腳受AD8318的輸出引腳控制。電壓VOUT的范圍為0 V至接近VPOS。為避免過驅(qū)恢復問題，可以用阻性分壓器按比例縮小AD8318的輸出電壓，以便與ADL5330的0～1．4 V增益控制范圍接口。

ADL5330 VGA要在AGC環(huán)路中工作，必須將輸出RF的樣本反饋至檢波器(通常利用一個定向耦合器并增加衰減處理)。DAC將設定點電壓施加于檢波器的VSET輸入，同時將VOUT與ADL5330的GAIN引腳相連。根據(jù)檢波器的VOUT與RF輸入信號之間明確的線性dB關系，檢波器調(diào)節(jié)GAIN引腳的電壓(檢波器的VOUT引腳為誤差放大器輸出)，直到RF輸入的電平與所施加的設定點電壓相對應。GAIN建立至某一值，使得檢波器的輸入信號電平與設定點電壓之間達到適當平衡。

利用一個23 dB的耦合器／衰減器，可以讓所需的VGA最大輸出功率與AD8318線性工作范圍的上限(900 MHz時約為-5 dBm)相匹配。

檢波器的誤差放大器利用以地為參考的電容引腳CFLT對誤差信號(電流形式)進行積分。必須將一個電容與CFLT相連，用來設置環(huán)路帶寬，并確保環(huán)路穩(wěn)定性。

AGC環(huán)路能夠控制接近ADL5330完整60 dB增益控制范圍的信號。在通常極為重要的最高功率范圍內(nèi)，其溫度性能最精確。在輸出功率的最高40 dB范圍內(nèi)，整個溫度范圍的線性一致性誤差在±0．5 dB范圍內(nèi)。對數(shù)放大器所帶來的寬帶噪聲可忽略不計。為使AGC環(huán)路保持均衡，AD8318必須跟蹤ADL5330輸出信號的包絡，并向ADL5330的增益控制輸入提供必要的電平。圖6所示為圖5中AGC環(huán)路的示波器屏幕截圖。將采用50％AM調(diào)制的100 MHz正弦波施加于ADL5330。ADL5330的輸出信號為恒定的包絡正弦波，其振幅與AD8318的設定點電壓1．5 V相對應。圖中還顯示了AD8318對不斷變化的輸入包絡的增益控制響應。

圖7顯示AGC RF輸出對VSET脈沖的響應。當VSET降至1 V時，AGC環(huán)路以RF突發(fā)脈沖予以響應。響應時間和信號積分量由AD8318 CFLT引腳上的電容控制，這與積分放大器周圍的反饋電容類似。電容增加將導致響應速度變慢。

4 結束語

文中采用新型VGA芯片和對數(shù)放大器設計并開發(fā)了寬帶大動態(tài)AGC電路模塊。在電路設計過程中，采用了一系列優(yōu)化設計技術，克服了設計過程中的一系列技術難點。經(jīng)測試，該電路能很好地滿足AGC電路的工作帶寬、動態(tài)范圍、線性度等性能參數(shù)要求。