寬帶大動態(tài)AGC電路設(shè)計

賀欣

（中國空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽 471009）

自動增益控制電路廣泛應(yīng)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[1-2]。但是，接收機的終端設(shè)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(shè)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(dá)到60 dB的AGC電路。

1 技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計方案

本項目相關(guān)技術(shù)指標(biāo)為：輸入射頻功率：-56～4 dBm；輸入射頻頻率：1 500±500 MHz；輸出功率：-4 dBm。

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[3]。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(shù)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(yīng)用[4]。

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。

圖1 自動增益控制環(huán)路Fig.1 Automatic gain control loop

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，

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)?yīng)的模型，如圖2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。

圖2 自動增益控制環(huán)路對數(shù)域模型Fig.2 Automatic gain control loop logarithm domain model

環(huán)路濾波器傳輸函數(shù)為：

圖 2中 y（t）可以表示成:

增益控制電壓為:

對式（4）兩邊求導(dǎo)代入式（5）得：

如果對等式（6）進(jìn)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：

上式代入式（6）后整理為：

時間常數(shù)為：

對式（8）進(jìn)行拉普拉斯變換可以得到自動增益控制環(huán)路的頻域特性：

式（10）所描述的系統(tǒng)具有高通特性。下面推導(dǎo)系統(tǒng)的直流傳輸特性，假設(shè)輸入信號為x（t）=a，輸出信號的頻譜為：

利用中值定理可以得到最終的輸出信號為：

由式（12）可知，最終輸出信號為Vref/KV2，且與輸入信號無關(guān)，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(dāng)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(dá)目標(biāo)功率后環(huán)路開始工作，此時理想環(huán)路的輸出幅度應(yīng)該恒定不變，實際電路輸出幅度會略有增大，當(dāng)可變增益放大器到達(dá)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[5-7]。

圖3 自動增益控制環(huán)路傳輸函數(shù)頻譜Fig.3 Automatic gain control loop transfer function spectrum

圖4 自動增益控制環(huán)路直流傳輸特性Fig.4 Automatic gain control loop for DC transmission characteristics

3 AGC電路設(shè)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(shè)定點傳遞函數(shù)也遵循線性dB特性。

圖5 ADL5330與AD8318配合在自動增益控制環(huán)路中工作Fig.5 ADL5330 work with AD8318 in automatic gain control loop

圖1顯示在AGC環(huán)路中工作的ADL5330[8]。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(fù)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(shè)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[9]。根據(jù)檢波器的VOUT與RF輸入信號之間明確的線性dB關(guān)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(shè)定點電壓相對應(yīng)。GAIN建立至某一值，使得檢波器的輸入信號電平與設(shè)定點電壓之間達(dá)到適當(dāng)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[10]。

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(jìn)行積分。必須將一個電容與CFLT相連，用來設(shè)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(luò)，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(luò)正弦波，其振幅與AD8318的設(shè)定點電壓1.5 V相對應(yīng)。圖中還顯示了AD8318對不斷變化的輸入包絡(luò)的增益控制響應(yīng)。

圖6 顯示AM調(diào)制輸入信號的示波器屏幕截圖Fig.6 Oscilloscope screen shots of AM modulated input signal

圖7顯示AGC RF輸出對VSET脈沖的響應(yīng)。當(dāng)VSET降至1 V時，AGC環(huán)路以RF突發(fā)脈沖予以響應(yīng)。響應(yīng)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(dǎo)致響應(yīng)速度變慢。

圖7 顯示ADL5330輸出的示波器屏幕截圖Fig.7 Oscilloscope screen shots of ADL5330 output

4 結(jié)束語

文中采用新型VGA芯片和對數(shù)放大器設(shè)計并開發(fā)了寬帶大動態(tài)AGC電路模塊。在電路設(shè)計過程中，采用了一系列優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，克服了設(shè)計過程中的一系列技術(shù)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。

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