基于AD8367的某監(jiān)測(cè)設(shè)備自動(dòng)增益控制模塊設(shè)計(jì)與測(cè)試?

周 進(jìn) 申伯純 王雪寶

（1.海軍702廠 上海 200434）（2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

無(wú)線電信號(hào)在傳輸過(guò)程中幅度往往變化較大。無(wú)論是無(wú)線電接收機(jī)，還是電子測(cè)量?jī)x器，都需要接收穩(wěn)定的中頻/本振信號(hào)，才能夠準(zhǔn)確測(cè)量出接收信號(hào)的幅度［1］。其中穩(wěn)幅控制中最常用、最有效的技術(shù)手段就是反饋控制［2～7］。當(dāng)信號(hào)上下波動(dòng)時(shí)，通過(guò)反饋控制，系統(tǒng)中的增益變化按照被控信號(hào)的變化規(guī)律而變化，此類方法被稱為自動(dòng)增益控制（AGC）。

AD8367是一款具有45dB控制范圍的高性能可變?cè)鲆娣糯笃鳎瑥V泛應(yīng)用于自動(dòng)增益控制電路中［8～14］。文獻(xiàn)［8］簡(jiǎn)要闡述了通信系統(tǒng)中常見(jiàn)的自動(dòng)增益控制技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀，對(duì)基于AD8367的自動(dòng)增益控制的特點(diǎn)進(jìn)行介紹；文獻(xiàn)［9］從數(shù)學(xué)角度分析了基于AD8367的AGC電路，得到了其輸入輸出關(guān)系，以及電路工作于AGC狀態(tài)時(shí)信號(hào)幅度的范圍；文獻(xiàn)［10～11］分別實(shí)現(xiàn)工作在不同頻點(diǎn)的AGC電路；文獻(xiàn)［12～14］研究了通過(guò)級(jí)聯(lián)形式實(shí)現(xiàn)了超大動(dòng)態(tài)范圍的AGC系統(tǒng)。本文基于AD8367完成了某監(jiān)測(cè)設(shè)備的AGC模塊設(shè)計(jì)，并通過(guò)測(cè)試表明其有效性和實(shí)用性。

2 AD8367簡(jiǎn)介［15］

AD8367是一款具有45dB控制范圍的高性能可變?cè)鲆娣糯笃?，采用線性增益控制，頻率可從低頻率到幾百兆赫。采用Analog Devices公司的X-AMP結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的帶內(nèi)頻率響應(yīng)特性。其主要特點(diǎn)：1）具有寬范圍模擬可變?cè)鲆妫?2.5dB～+42.5dB）；2）3dB帶寬為500MHz；3）兩種增益模式（增大和減?。?；4）增益以20mV/dB成線性變化；5）電阻接地參考輸入；6）輸入阻抗為200Ω；7）完整的線性中頻AGC放大器；8）高速數(shù)據(jù)輸入輸出端。

圖1 AD8367原理框圖

AD8367的功能框圖如圖1所示，該芯片包括四個(gè)部分：9級(jí)5dB可變衰減器、高斯內(nèi)插器、固定增益放大器和平方律檢波器。前兩者相互配合實(shí)現(xiàn)總衰減量達(dá)45dB可控衰減的功能。高斯內(nèi)插器選擇衰減因子，在控制電壓的作用下，通過(guò)離散節(jié)點(diǎn)衰減的加權(quán)平均值來(lái)獲得與控制電壓相對(duì)應(yīng)的衰減量，并以這種方式獲得平滑、單調(diào)的衰減特性。它在大于40dB的增益控制范圍內(nèi)，工作頻率為200MHz時(shí)，可提供優(yōu)于±0.5dB的線性誤差。其中高斯內(nèi)插器選通順序由管腳4（MODE）控制：

當(dāng)MODE=1時(shí)，增益是正斜率，控制電壓VGAIN與增益關(guān)系如式（1）所示，斜率是20mV/dB，當(dāng)增益范圍從-2.5dB～+42.5dB變化時(shí)，控制電壓從50mV～950mV變化。

當(dāng)MODE=0時(shí)，增益是負(fù)斜率，控制電壓VGAIN與增益關(guān)系如式（2）所示，斜率是-20mV/dB，當(dāng)增益范圍從-2.5dB～+42.5dB變化時(shí)，控制電壓從950mV～50mV變化。

3 某監(jiān)測(cè)設(shè)備AGC設(shè)計(jì)

該監(jiān)測(cè)設(shè)備AGC的主要指標(biāo)要求：LO頻率在40MHz～70MHz之間，幅度穩(wěn)定在0dB，穩(wěn)定度±0.4dB。

3.1 AGC整體方案設(shè)計(jì)

無(wú)線接收設(shè)備中混頻器輸出幅度穩(wěn)定度為

式（3）中：ΔP是混頻器輸出信號(hào)的穩(wěn)定度，ΔPLO是本振幅度穩(wěn)定度，ΔPRF是輸入RF信號(hào)的穩(wěn)定度，ΔI是混頻器通路插入損耗不確定值，為常量。

從式（3）可看出：輸入的RF信號(hào)是被測(cè)信號(hào)，只有當(dāng)ΔPLO=0，混頻輸出信號(hào)的電平值才和輸入RF信號(hào)的電平值保持線性關(guān)系。對(duì)該設(shè)備通過(guò)綜合考慮，ΔPLO指標(biāo)取在±0.4dB。

如圖2所示為該設(shè)備的AGC設(shè)計(jì)方案原理框圖。因?yàn)楸菊裥盘?hào)源采用VCO電路，在40MHz～70MHz頻率范圍內(nèi)輸出功率波動(dòng)在±1.5dB范圍內(nèi)，所以采用一級(jí)AD8367足以完成此項(xiàng)任務(wù)。輸入信號(hào)首先通過(guò)VGA（AD8367）放大器放大，然后經(jīng)帶通濾波器后分為兩路信號(hào)，其中一路輸出作為本振信號(hào)用直接送到下一個(gè)電路單元使用，另一路送到檢波器進(jìn)行功率檢波，將檢波出的電壓和設(shè)定電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果送到VGA，控制VGA的增益，達(dá)到穩(wěn)定輸出功率的目的。

圖2 AGC方案原理框圖

3.2 AGC電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

如圖3所示為AGC電路原理圖，由（a），（b），（c）三部分組成。圖3（a）中，設(shè)置AD8367（6U4）的MODE管腳接高電平，則其工作在正斜率模式。從本振信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)LO_IN，經(jīng)匹配電路進(jìn)入輸入端。圖3（b）中，放大后信號(hào)經(jīng)帶通濾波器（6U5）送往二功分器（由電阻6R10、6R11和6R12組成），二功分器將信號(hào)分成兩路：一路經(jīng)衰減器（6U7）將信號(hào)送到下一個(gè)電路單元；另一路送給檢波器（6U6）。圖3（c）中，檢波器輸出的電壓和設(shè)定電壓比較，比較單元電路由運(yùn)算放大器（6U8）為核心組成差分放大器，輸出的電壓送到6U4的增益控制端（GAIN），控制放大器增益的大小。

信號(hào)變化過(guò)程如下：當(dāng)6U4輸出功率上升時(shí)，二功分輸出功率上升，檢波器輸入功率上升，檢波輸出電壓上升，差分放大器輸出電壓下降（即增益控制電壓下降），6U4增益下降，即輸出功率下降；當(dāng)6U4輸出功率下降時(shí)，二功分輸出功率下降，檢波器輸入功率下降，檢波輸出電壓下降，差分放大器輸出電壓上升（即增益控制電壓上升），6U4增益上升，即輸出功率上升。由此，輸出功率穩(wěn)定在設(shè)定值。

圖3 監(jiān)測(cè)設(shè)備AGC電路原理圖

3.3 輸入端網(wǎng)絡(luò)匹配

由AD8367性能指標(biāo)可知，其輸入端阻抗是200Ω，而系統(tǒng)阻抗是50Ω，所以輸入端必須進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)。考慮到本系統(tǒng)中的頻率在70MHz以下，不需要復(fù)雜的LC匹配，采用簡(jiǎn)單的電阻匹配。匹配電阻示意圖如圖4所示。

圖4 輸入端匹配電阻計(jì)算示意圖

從輸入端往右看是50Ω，則由式（4）：

計(jì)算得：x=66.7Ω。取標(biāo)準(zhǔn)阻值，即原理圖中的6XPin。

3.4 檢波電路

檢波電路采用Linear公司的LTC5507芯片，其檢波特性如圖5（a）所示，且由圖5可得，當(dāng)輸入功率大于0dBm時(shí)，檢波器的線性較優(yōu)。在測(cè)試時(shí)，選擇50MHz頻點(diǎn)，輸入功率選擇到0dBm附近，測(cè)量檢波器輸出電壓值。如圖5（b）所示，檢波器輸入輸出關(guān)系在輸入功率大于0dBm時(shí)呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，印證了圖5（a）中的檢波器特性圖。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 檢波器測(cè)試

3.5 工作點(diǎn)設(shè)定

如圖3所示，比較器電路由運(yùn)算放大器構(gòu)成。將運(yùn)放6U8設(shè)置為差分輸入工作模式，工作點(diǎn)設(shè)置電壓加到運(yùn)放的同相輸入端，檢波電壓加到運(yùn)放的反相輸入端，6C24、6C25連接成低通濾波器形式，起到平滑輸入信號(hào)作用。由于6R15=6R16=4R17=4R18，所以放大倍數(shù)Av=1。從表1中檢波器實(shí)測(cè)特性可知：檢波器在1dBm輸入附近時(shí)，斜率大約在60mV/dB，因此在差分放大器輸出端加兩個(gè)電阻對(duì)輸出分壓，分壓比=3：1，將檢波器的斜率調(diào)整到20mV/dB左右，和AD8367的斜率基本相同。

表1 檢波器輸入輸出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（50MHz）

設(shè)LO2_out處輸出1dBm，那么二功分輸入端處功率+3.5dBm，濾波器差入損耗-1.5dB，則要求AD8367的輸出端功率OUT1=+6dBm。由表1可知檢波器在+1dBm輸入時(shí)輸出電壓是0.875V。輸入信號(hào)LO_IN信號(hào)大約在-10dBm±1.5左右，那么AD8367的增益要G=+16dB左右，帶入式（1）計(jì)算得VGAIN=0.42V。

綜合上述分析，比較電路的參考點(diǎn)電壓V=0.42*3+0.875=2.135V。在調(diào)試電路時(shí)，將電位器輸出電壓調(diào)整到2.14V左右。

4 AGC電路性能測(cè)試

對(duì)設(shè)計(jì)的AGC電路進(jìn)行性能測(cè)試，根據(jù)工作點(diǎn)設(shè)定部分測(cè)試輸入功率-12dBm～-8dBm范圍的輸出結(jié)果。圖6為相應(yīng)的AGC輸入輸出性能測(cè)試結(jié)果，表2為具體數(shù)據(jù)。由測(cè)試結(jié)果可得，輸出功率在0.920dBm～1.287dBm之間變化，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓范圍為±0.183dB，滿足系統(tǒng)提出的±0.4dB要求。如圖6所示，輸入為線性增加，而輸出并未呈現(xiàn)出線性增加。由此可以推斷：1）電路中增益隨輸入變化而變化；2）檢波器并非絕對(duì)線性；3）比較器輸入輸出關(guān)系并非絕對(duì)穩(wěn)定和線性，如電壓紋波影響等，所以比較器要增加合適的濾波等。

圖6 AGC輸入輸出性能測(cè)試

表2 輸入輸出測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

采用AD8367器件為核心的自動(dòng)增益控制設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)單、便于調(diào)試。當(dāng)輸入功率為-12.0～-8.0dBm時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定度在±0.183dB內(nèi)。如果進(jìn)一步處理好系統(tǒng)的電源和其它各種雜散信號(hào)的干擾，輸出電壓穩(wěn)定度可進(jìn)一步提高。