寬帶大動態AGC電路設計

賀欣

（中國空空導彈研究院 河南 洛陽 471009）

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，接收機中非常強調自動增益控制，來保證接收機輸出信號幅度的平穩性。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：-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控衰減器來完成對電路增益控制的數字式。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，控制曲線易發生漂移，但其電路簡潔，是閉環的AGC，無需外部信號配合使用，如數字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展，高精確度和溫度穩定性較好的對數檢波器大量涌現以及可變增益放大器VGA的出現，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[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。控制電路就是AGC直流電壓的產生部分，被控電路的功能是按照控制電路所產生的變化著的控制電壓來改變接收機的增益。

圖1 自動增益控制環路Fig.1 Automatic gain control loop

自動增益控制環路中通常包含的模塊有可變增益放大器、幅度檢測器、對數放大器、環路濾波器。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，

將輸入輸出轉化為對數形式，

其中KV1是跟Ain和Aout單位相同的常數。

利用（2）式可以得到圖1在對數域對應的模型，如圖2所示。虛線框內表示的是對數域內的運算。X（t）是輸入信號，Y（t）是輸出信號。

圖2 自動增益控制環路對數域模型Fig.2 Automatic gain control loop logarithm domain model

環路濾波器傳輸函數為：

圖 2中 y（t）可以表示成:

增益控制電壓為:

對式（4）兩邊求導代入式（5）得：

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

時間常數為：

對式（8）進行拉普拉斯變換可以得到自動增益控制環路的頻域特性：

式（10）所描述的系統具有高通特性。下面推導系統的直流傳輸特性，假設輸入信號為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，即輸出信號可以恒定于某一固定值。也可以將系統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，是因為系統的環路直流增益為無窮大，如果環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。根據式（12）可以得到最終輸出電壓的幅度為：

自動增益控制環路傳輸函數的頻譜如圖3所示，函數具有高通特性。環路濾波器帶寬為零，故傳輸函數從零開始增大，如果環路濾波器帶寬為B，則傳輸函數會從頻率B處開始增大。圖4是自動增益控制環路直流傳輸特性。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路開始工作，此時理想環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 自動增益控制環路傳輸函數頻譜Fig.3 Automatic gain control loop transfer function spectrum

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

3 AGC電路設計

利用一個 VGA（ADL5330）和一個對數檢波器（AD8318）提供閉環自動功率控制。由于AD8318具有較高的溫度穩定性，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定性，因此該電路在整個溫度范圍都能保持穩定。該電路還增加了對數放大器檢波器，用來將ADL5330從開環可變增益放大器轉換為閉環輸出功率控制電路。AD8318與ADL5330一樣，具有線性dB傳遞函數，因此Pout對設定點傳遞函數也遵循線性dB特性。

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

圖1顯示在AGC環路中工作的ADL5330[8]。增加對數放大器AD8318后，該AGC在較寬的輸出功率控制范圍具有更高的溫度穩定性。 AD8318是一款1 MHz至8 GHz精密解調對數放大器，提供較大的檢波范圍（60 dB），溫度穩定性為±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[9]。根據檢波器的VOUT與RF輸入信號之間明確的線性dB關系，檢波器調節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[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）進行積分。必須將一個電容與CFLT相連，用來設置環路帶寬，并確保環路穩定性。

AGC環路能夠控制接近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，其溫度性能最精確。在輸出功率的最高40 dB范圍內，整個溫度范圍的線性一致性誤差在±0.5 dB范圍內。 對數放大器所帶來的寬帶噪聲可忽略不計。 為使AGC環路保持均衡，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環路的示波器屏幕截圖。將采用50%AM調制的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6 顯示AM調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。當VSET降至1 V時，AGC環路以RF突發脈沖予以響應。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。

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

4 結束語

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

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