實(shí)現(xiàn)接收機(jī)大動(dòng)態(tài)范圍的中頻AGC電路設(shè)計(jì)

程龍香，徐建華

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京 210016）

1 引言

電磁波在空間傳播的過程中，由于信號(hào)傳播路徑、障礙物等差異，導(dǎo)致信號(hào)到達(dá)接收天線時(shí)的幅度呈現(xiàn)一定范圍的變化。為了對(duì)不同幅度輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)分析，接收機(jī)中通常需要采用中頻自動(dòng)增益控制(AGC)電路，來實(shí)現(xiàn)將不同幅值的微波信號(hào)線性放大至幾乎相同的信號(hào)幅度[1-2]，圖1給出了接收機(jī)的電路原理框圖。

由于單級(jí)AGC電路無法提供足夠大的增益控制范圍，因此實(shí)際應(yīng)用中往往采用多級(jí)結(jié)構(gòu)。在本設(shè)計(jì)中，中頻AGC電路采用兩級(jí)AD8367級(jí)聯(lián)。兩級(jí)AD8367的輸入輸出端口通過L形電阻網(wǎng)絡(luò)將200 Ω特性阻抗匹配至50 Ω系統(tǒng)特性阻抗，使電路輸入輸出駐波比達(dá)到要求，并且為了補(bǔ)償L形電阻匹配網(wǎng)絡(luò)引入的信號(hào)衰減，在兩級(jí)AD8367之間串聯(lián)一級(jí)放大器。

圖1 接收機(jī)電路簡化原理框圖

2 自動(dòng)增益控制電路的基本原理

由于種種原因，接收天線上感應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度是有明顯變化的，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度增大時(shí)，送入接收通道的信號(hào)也增大。信號(hào)過強(qiáng)時(shí)，還有可能使放大器飽和，接收機(jī)不能正常工作[3]。為保證接收通道輸出信號(hào)保持基本不變，在接收通道中必須設(shè)計(jì)AGC電路。AGC電路使接收通道在接收弱信號(hào)時(shí)保持高增益，而接收強(qiáng)信號(hào)時(shí)放大器增益自動(dòng)降低[4]，以保持輸出信號(hào)強(qiáng)度基本不變，AGC電路控制原理框圖如圖2所示。

圖2 AGC電路原理框圖

圖3理想AGC電路增益控制特性

圖2 中可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆媸芸赜诒容^器的輸出電壓，在一定電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)控制。接收信號(hào)進(jìn)入可變?cè)鲆娣糯笃骱?，輸出信?hào)經(jīng)檢波器檢波得到檢波電壓，檢波電壓再與參考電壓一起輸入比較器，得到兩個(gè)輸入信號(hào)的誤差電壓，用來控制可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆鎇5]。參考電壓作為AGC起控的門限值，決定了可變?cè)鲆娣糯笃鏖_始釋放增益的輸入信號(hào)幅度下限。當(dāng)輸入信號(hào)大于該下限值時(shí)，可變?cè)鲆娣糯笃骶哂凶钚≡鲆妫划?dāng)輸入信號(hào)逐漸減小至下限值以下，可變?cè)鲆娣糯笃鲃t開始逐漸釋放增益，使輸出信號(hào)幅度保持穩(wěn)定；當(dāng)輸入信號(hào)不斷減小，直至可變?cè)鲆娣糯笃鬟_(dá)到最大增益后，此時(shí)已超出放大器的可控范圍，因此輸出信號(hào)也將隨之減小，圖3給出了可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆婵刂铺匦浴?/p>

3 大動(dòng)態(tài)范圍中頻AGC電路的設(shè)計(jì)

放大器AD8367是一款具有線性增益控制特性的可變?cè)鲆娣糯笃?，適用于500 MHz以下頻率范圍內(nèi)，單級(jí)增益控制范圍可達(dá)45 dB。其特點(diǎn)是在片內(nèi)集成了平方律檢波器，無需外接功分器、檢波器即可實(shí)現(xiàn)單片閉環(huán)AGC應(yīng)用[6]。

圖4是AD8367處于AGC閉環(huán)工作狀態(tài)時(shí)的電路結(jié)構(gòu)。引腳6輸出的檢波電壓連接至引腳5用來控制放大器的增益，同時(shí)也可作為輸出指示電平，用來表征輸入信號(hào)的幅度大小。另外，由于接收機(jī)系統(tǒng)特性阻抗是50 Ω，而AD8367輸入輸出阻抗為200 Ω，兩者阻抗不匹配將會(huì)引起很大的駐波和反射損耗。因此，在AD8367的輸入和輸出端均由51 Ω串聯(lián)電阻和180 Ω并聯(lián)電阻構(gòu)成L形寬帶電阻匹配網(wǎng)絡(luò)，每一級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)帶來約11.5 dB的插入損耗，從而輸入輸出端兩級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)一共引入約23 dB的插入損耗。

圖4 單級(jí)AD8367自動(dòng)增益控制電路

綜上所述，為了達(dá)到75 dB以上的增益控制范圍，本文基于AD8367設(shè)計(jì)的兩級(jí)中頻AGC電路的最終電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。兩級(jí)AD8367之間的中頻放大器用來補(bǔ)償前級(jí)電阻匹配網(wǎng)絡(luò)引入的插入損耗，使送往下級(jí)AD8367的信號(hào)電平剛好能夠達(dá)到起控電平。

圖5 75 dB動(dòng)態(tài)范圍中頻AGC電路結(jié)構(gòu)

該方案經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，實(shí)際增益控制范圍達(dá)到近80dB，增益控制精度小于1 dB，AGC建立時(shí)間小于25 μs，恢復(fù)時(shí)間小于5 μs。當(dāng)輸入信號(hào)從控制范圍的上端逐漸減小至控制范圍的下端，檢波電壓以近似線性的趨勢(shì)逐漸增大；將AGC輸出信號(hào)連接至示波器，觀察整個(gè)控制范圍內(nèi)輸出信號(hào)的波形，可以看到輸出噪聲隨著輸入信號(hào)的減小而逐漸增大，使信號(hào)波形由清晰逐漸轉(zhuǎn)為模糊。當(dāng)輸入信號(hào)接近控制范圍的下端時(shí)，信號(hào)攜帶的噪聲功率明顯增大，并逐漸接近信號(hào)功率，此時(shí)進(jìn)一步減小輸入信號(hào)，由于噪聲功率的影響，導(dǎo)致檢波器不能再分辨信號(hào)功率的減小。

將圖6（a）中示波器顯示的AGC輸出信號(hào)時(shí)域波形與理想AGC電路輸出時(shí)域波形（見圖7）進(jìn)行對(duì)比，可以看到信號(hào)包絡(luò)有少許失真。這是因?yàn)樵陔娐返膶?shí)際調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)接收機(jī)系統(tǒng)前級(jí)信號(hào)衰減較大，導(dǎo)致兩級(jí)AGC放大器的輸入信號(hào)未能達(dá)到其起控值。為了彌補(bǔ)信號(hào)衰減，增大后級(jí)電路的信號(hào)輸入值，調(diào)試過程中將圖5所示的L形寬帶電阻匹配網(wǎng)絡(luò)中51 Ω串聯(lián)電阻適當(dāng)減小、180 Ω并聯(lián)電阻適當(dāng)增大，通過適當(dāng)犧牲AD8367前后級(jí)匹配系數(shù)來增大信號(hào)幅度，從而最大化AGC電路的信號(hào)控制范圍。

圖6 中頻AGC電路輸出時(shí)域波形

圖7 理想AGC電路輸出時(shí)域波形

4 結(jié)論

本文以無線通信應(yīng)用為背景，在無外部控制電路的情況下，基于AD8367放大器設(shè)計(jì)了一個(gè)增益控制范圍大于75 dB的中頻AGC電路，使接收機(jī)能夠在很大范圍內(nèi)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行線性放大，并且增益控制精度、AGC建立時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間等關(guān)鍵指標(biāo)均滿足接收系統(tǒng)的要求。文中基于AD8367放大器選取這樣的電路結(jié)構(gòu)，不但簡化了傳統(tǒng)AGC電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了良好的線性增益控制特性，使得中頻輸出信號(hào)在近80 dB的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)呈現(xiàn)出較好的正弦波形，且?guī)庖种浦笜?biāo)也達(dá)到25 dB以上。該方案已經(jīng)在一款T/R組件中得到應(yīng)用，取得了理想的控制效果。