基于AD8367的大動態(tài)范圍AGC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹AD8367的特點(diǎn)及工作原理，在此基礎(chǔ)上討論通過兩級AD8367串連構(gòu)造具有70 dB動態(tài)范圍的70 MHz中頻大動態(tài)自動增益控制AGC的方法，并給出AGC檢波特性曲線。
關(guān)鍵詞：大動態(tài)范圍；中頻放大器；閉環(huán)控制；自動增益控制(AGC)

    無線通信系統(tǒng)由于受發(fā)射功率、收發(fā)距離、電波傳播衰落等因素影響，接收機(jī)所接收到的信號強(qiáng)弱變化范圍很大，接收信號強(qiáng)度的變化范圍達(dá)幾十dB甚至超過100 dB。如果接收機(jī)增益不變，則信號太強(qiáng)時，造成接收機(jī)的飽和或阻塞，甚至損壞接收機(jī)；而信號太弱時，載噪比太低導(dǎo)致無法正常接收。反饋控制是現(xiàn)代系統(tǒng)工程中的一種重要技術(shù)手段。系統(tǒng)受到擾動時，通過反饋控制作用，可使系統(tǒng)的某個參數(shù)達(dá)到所需精度或按照一定的規(guī)律變化。自動增益控制AGC(Autt)Gain Control)電路是為解決輸出信號不穩(wěn)定、受外部信號的強(qiáng)弱變化影響而設(shè)計(jì)的。中頻AGC主要用于接收機(jī)的解調(diào)模擬前端，影響接收機(jī)的解調(diào)性能，是接收機(jī)等通信設(shè)備的重要組成部分。

1 AD8367簡介
    AD8367型可變增益單端IF放大器使用x-AMP結(jié)構(gòu)，具有良好的增益控制特性。由于片上集成有律方根檢波器，可實(shí)現(xiàn)單片閉環(huán)AGC。該器件帶有可控制線性增益的高性能45 dB可變增益放大器，并可在任意低頻到500 MHz的頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。
    AD8367有以下主要特點(diǎn)：單端輸入，輸出；輸入阻抗為200 Ω，輸出阻抗50 Ω；3 dB帶寬為500 MHz；輸入端零電平時，輸出電平為電源電壓的一半，且可調(diào)；具有增益控制特性選擇和功耗關(guān)斷控制功能；片上集成有律方根檢波器，實(shí)現(xiàn)單片AGC應(yīng)用；增益控制特性以dB成線性；可通過外部電容將工作頻率擴(kuò)展到任意低頻。圖l為AD8367的功能框圖。

    該器件主要由可變衰減器、固定增益放大器和平方律檢波器組成。輸入端可變衰減器的衰減量為45 dB，其中包含了200 Ω的單端梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和高斯內(nèi)插器。電阻網(wǎng)絡(luò)由9級每級衰減量為5 dB的衰減網(wǎng)絡(luò)組成，每級梯形網(wǎng)絡(luò)對輸入信號加以固定分貝數(shù)(5 dB的整數(shù)倍)的衰減，由高斯內(nèi)插器選擇衰減因子。增益控制電壓決定內(nèi)插器所選擇的具體衰減網(wǎng)絡(luò)，例如當(dāng)選擇第l級時，0 dB衰減節(jié)點(diǎn)有效；當(dāng)選擇最后一級時，-45 dB衰減節(jié)點(diǎn)有效。當(dāng)衰減量不是5 dB的整數(shù)倍時，在控制電壓的作用下，相鄰兩個衰減節(jié)點(diǎn)同時導(dǎo)通，通過離散節(jié)點(diǎn)衰減的加權(quán)平均值來獲得與控制電壓相對應(yīng)的衰減量。通過這種方式可獲得平滑、單調(diào)的衰減特性，并以dB為單位線性變化。
    AD8367有GAIN UP和GAIN DOWN 2種工作模式。模式選擇通過MODE引腳的外加邏輯電平控制。當(dāng)接高電平時，其增益隨控制電壓的增加而遞增

式中，VGAN的單位為V，其變化單位為50 dB／V(20 mV／dB)。同時因VGAN的最小值為0 V，所以增益的最小值為-5 dB。當(dāng)增益范圍從-2．5 dB變到42．5 dB時，控制電壓相應(yīng)的從50mV變到950 mV。當(dāng)MODE接地時，增益隨電壓遞減，其計(jì)算公式為：

    該工作模式在AGC應(yīng)用中是需要的。當(dāng)AD8367的增益大于40 dB的控制范圍，工作頻率為200 MHz時，可提供優(yōu)于±0．5 dB的線性誤差，而在400 MHz時可提供優(yōu)于±l dB的線性誤差。固定增益放大器用于保證AD8367具有42．5 dB的增益和500 MHz的帶寬。它實(shí)際上是1個具有100 GHz增益帶寬積的運(yùn)算放大器，因此，當(dāng)其工作在高頻時，仍具有良好的線性度。

2 70 MHz中頻AGC設(shè)計(jì)方案
    這里的70 MHz中頻AGC由兩級AD8367串聯(lián)組成，通過合理分配兩級VGA的增益比例，AGC匹配良好，合理設(shè)計(jì)濾波器，設(shè)計(jì)的70 MHz中頻AGC最終達(dá)到70 dB動態(tài)范圍，同時具有優(yōu)秀的線性增益性能和16 MHz帶寬。設(shè)計(jì)方案框圖如圖2所示，主要包括AD8367、輸入輸出衰減、匹配網(wǎng)絡(luò)、增益補(bǔ)償、低通帶通濾波和環(huán)路控制等部分。

2．1工作原理
    AD8367的優(yōu)秀線性控制性能和45 dB的動態(tài)范圍非常適合70 MHz中頻AGC設(shè)計(jì)。但一級AD8367顯然無法達(dá)到70dB動態(tài)范圍，同時其輸入輸出阻抗都是200Ω，與該設(shè)計(jì)方案50 Ω特征阻抗存在阻抗不匹配。另外，其片內(nèi)集成500 MHz帶寬平方律檢波器的寬帶檢波器與該設(shè)計(jì)方案16 MHz帶寬則存在虛假檢波。
    該設(shè)計(jì)方案的輸入／輸出端口的3 dB起隔離作用，避免對其前級和后級產(chǎn)生影響。80 MHz的低通LC濾波器衰減其二次諧波信號，可避免對該設(shè)計(jì)的增益產(chǎn)生影響。
    除了兩級AD8367是200 Ω特征阻抗外，其他器件特征阻抗都是50 Ω，因此在兩級AD8367的輸入輸出端口都有匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行阻抗變換，盡量減小其插損。設(shè)計(jì)采用LC匹配網(wǎng)絡(luò)，插損單級只有4 dB。
    70 MHz中頻AGC的幅頻特性主要取決于SAW 70 MHz濾波器。因此，采用帶寬16 MHz的SAW 70 MHz濾波器。該濾波器的過渡帶陡峭，但其插損很大(達(dá)14 dB)，為補(bǔ)償該濾波器的插損和兩級AD8367之間匹配網(wǎng)絡(luò)帶來的插損，在其后串聯(lián)放大器，放大器增益為18 dB。
調(diào)節(jié)第2級AD8367后串聯(lián)的放大器增益，以及整個70MHz中頻AGC的輸出幅度，從而達(dá)到設(shè)計(jì)需求，放大器后串聯(lián)的70 MHz LC濾波器可衰減放大器輸出的二次諧波信號，保證中頻AGC具有良好的選擇性。
    通過外置檢波器對70 MHz LC濾波器的輸出信號進(jìn)行檢波，解決片內(nèi)存在的虛假檢波問題，保證小信號輸入時檢波可靠。檢波器輸出與期望的中頻AGC輸出電平相減產(chǎn)生誤差信號。通過環(huán)路濾波控制兩級AD8367的增益，第l級AD8367的是第2級AD8367增益電壓的O．75倍，這樣在滿足中頻AGC 70 dB動態(tài)范圍的同時，盡量提高其輸入信號的二三階交調(diào)點(diǎn)，保證中頻AGC具有良好的線性。

    圖3為中頻AGC的分析模型，其中，x(t)為輸入信號強(qiáng)度檢波電壓，y(t)為輸出信號強(qiáng)度檢波電壓，r(t)為期望輸出信號強(qiáng)度檢波電壓，△(t)為檢波電壓誤差電平，h(t)為環(huán)路濾波器的沖激響應(yīng)，m(t)為增益電平。
使用該模型分析70 MHz中頻AGC。從第1級AD8367的輸出端口到第2級AD8367的輸入端口之間匹配網(wǎng)絡(luò)和增益補(bǔ)償放大器的總增益是0 dB。兩級AD8367可用1個VGA代替，只是該VGA的控制電壓／增益斜率是35 mV／dB。
2．2減法器與環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)
    該設(shè)計(jì)檢波輸出后的減法器和環(huán)路濾波器是通過運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖5給出70 dB動態(tài)范圍的70 MHz中頻AGC實(shí)現(xiàn)電路。

3 設(shè)計(jì)中需注意的問題
    1)PCB設(shè)計(jì)由于PCB的饋電和接地處理均對AGC性能產(chǎn)生重要影響。前者是電源濾波，如果處理不當(dāng)會影響關(guān)鍵器件，引起自激和較高的雜散電平；后者是指合理安排PCB接地，盡量大面積接地，保證整個PCB等地電位，同時增大接地處理帶來的等效電容，提高PCB的抗干擾能力。而且關(guān)鍵元件的布局盡量和信號流向保持一致，避免后級放大信號反饋到前級輸入端引起自激。
    2)電路設(shè)計(jì) 合理設(shè)計(jì)第l級VGA輸出到第2級VGA輸入之間整體增益，并等于0，簡化電路分析設(shè)計(jì)，在分析電路時可把兩級VGA合并為1個VGA進(jìn)行分析。

4 測試記錄
    AGC檢波特性如表1所示，環(huán)路各部分增益貢獻(xiàn)情況如表2所示。在本設(shè)計(jì)中，VGA均工作于GAIN UP模式，即增益控制電壓在0～1．0V之間，增益隨控制電壓線性增加。圖6為VGA增益曲線。

 結(jié)論
    基于上述方法實(shí)現(xiàn)的70 MHz中頻AGC最終效果是：輸入電平在-65～+5 dBm范圍內(nèi)輸出電平穩(wěn)定在-5 dBm，如果信號輸入電平小于-65 dBm，則AGC提供60dB的固定增益，且不出現(xiàn)雜散，當(dāng)輸入信號電平小于+3 dBm時，三階交調(diào)抑制達(dá)到55 dB。