基于AD8367的超大動態(tài)范圍AGC系統(tǒng)設計與測試

卿晨

（中國西南電子技術研究所 四川 成都610036）

基于AD8367的超大動態(tài)范圍AGC系統(tǒng)設計與測試

卿晨

（中國西南電子技術研究所 四川 成都610036）

為了滿足超大動態(tài)范圍接收機的需求，提出了一種基于AD8367的超大動態(tài)范圍自動增益控制AGC（Auto Gain Control）系統(tǒng)設計方案。通過分析AGC系統(tǒng)中各級的噪聲功率，并結合AD8367起控電平的實測數(shù)據(jù)，選取合適增益的放大器和合適帶寬的濾波器，級聯(lián)實現(xiàn)了超大動態(tài)范圍AGC系統(tǒng)。完成了系統(tǒng)的硬件設計和測試，驗證了此AGC系統(tǒng)良好的超大動態(tài)范圍特性。

AGC；超大動態(tài)范圍；噪聲功率；AD8367

隨著雷達、通信、電子對抗和電子測量等領域技術飛速的發(fā)展，系統(tǒng)對接收機的帶寬、動態(tài)范圍、靈敏度等指標的要求越來越高。一般而言，接收機會針對多個發(fā)射源的信號進行接收和處理，而多個發(fā)射源的位置具有不確定性，即使是單個發(fā)射源，它的位置也可能是在變化的，因此接收機接收到的信號電平也是變化的。再者，由于電波在空間傳播過程中的衰落現(xiàn)象和多徑效應，以及空間中復雜的電磁環(huán)境和其他干擾因素，因此接收機接收到的信號電平會在很大的范圍內(nèi)波動。而終端設備能處理的信號電平范圍有限，太強的信號會燒毀終端設備，太弱的信號又無法被A/D采樣到[1]。因此，AGC系統(tǒng)被廣泛應用到大動態(tài)范圍的接收機中[2-6]。縱觀近年來國內(nèi)外研究情況，基于各種方式和芯片構建的AGC系統(tǒng)已達到80 dB動態(tài)范圍[8-14]；此外，AD8367芯片已被成熟應用，其內(nèi)部電路得到充分分析，特性也從數(shù)學角度得到了描述[7]。本文提出的基于AD8367的AGC系統(tǒng)實現(xiàn)的動態(tài)范圍超過了100 dB，實測結果充分驗證了所采取的設計方案。

1 AD8367芯片簡介

AD8367芯片是ADI公司的45 dB可變增益放大器，+5 V供電，工作頻率范圍從低頻到500 MHz，單端輸入輸出，輸入輸出特性阻抗為200 Ω，輸出起控電平為-2.03 dBm（354 mVrms），最大42.5 dB增益，最小2.5 dB衰減，增益變化以dB為單位線性變化，由于內(nèi)部存在平方律檢波器和高斯內(nèi)插，因此得到的衰減特性是平滑而單調(diào)的。AD8367典型應用電路圖如圖1所示，由于輸入輸出特性阻抗為200 Ω，因此在輸入輸出端設置了寬帶匹配網(wǎng)絡[15]。

圖1 AD8367典型應用電路

2 系統(tǒng)設計原理

在進行大動態(tài)AGC系統(tǒng)設計時，首先要明確AD8367的輸入起控電平范圍，即自動增益控制動態(tài)范圍。由于AD8367的輸出起控電平為-2 dBm，具備最大42.5 dB的增益和最小2.5 dB的衰減，因此，它的輸入起控電平范圍為-44.5～-0.5 dBm，即輸入信號電平在-44.5～0.5 dBm范圍內(nèi)變化時，AD8367穩(wěn)定輸出-2 dBm的信號。接下來，需要計算AGC系統(tǒng)中AD8367的輸入噪聲功率Ni，Ni必須小于其最小輸入起控電平-44.5 dBm。否則，輸入起控電平范圍會變成Ni～-0.5 dBm，動態(tài)范圍會因此變小。而AGC系統(tǒng)往往會用到多級AD8367，噪聲功率需要逐級計算，以保證每級AD8367的動態(tài)范圍不變，從而保證整個AGC系統(tǒng)的動態(tài)范圍。AGC系統(tǒng)中的每一級AD83687的輸入噪聲功率Ni可由式（1）計算得到[16]：

其中，G、NF、B分別為AD8367之前信道的增益、噪聲系數(shù)和帶寬。為了控制Ni的值，在滿足信道指標的情況下，盡量選用帶寬較小的放大器和濾波器。系統(tǒng)的級聯(lián)噪聲系數(shù)NF0可由式（2）得到：

單級AD8367可實現(xiàn)45 dB動態(tài)范圍的AGC系統(tǒng)，二級AD8367可實現(xiàn)90 dB的動態(tài)范圍，三級AD8367理論上可實現(xiàn)135 dB的動態(tài)范圍。由于實際使用中，AD8367輸入輸出端都設置了匹配網(wǎng)絡[17]，以使輸入輸出阻抗由200 Ω轉(zhuǎn)化到50 Ω，而匹配網(wǎng)絡有11.5 dB的插損，因此AGC系統(tǒng)中AD8367的輸入起控電平范圍變?yōu)?33～12 dBm，線性增益變?yōu)?9.5 dB，輸出電平穩(wěn)定在-13.5 dBm。而當AD8367級聯(lián)使用時，為達到最大的動態(tài)范圍，需要將前級AD8367的輸出電平-13.5 dBm放大到后級AGC的輸入最大起控電平12 dBm，這需要在級間級聯(lián)放大器。而此放大器和前一級AD8367會使噪聲功率提高，因此還需在放大器后級聯(lián)一個濾波器抑制噪聲功率，以保證每一級AD8367的輸入噪聲功率小于-33 dBm，濾波器的帶寬B的選取會在后面的設計實例中詳細介紹。

3 系統(tǒng)設計實例

3.1 單級AGC系統(tǒng)

單級AGC系統(tǒng)可實現(xiàn)45 dB（-33～12 dBm）動態(tài)范圍的自動增益控制，得到穩(wěn)定輸出為-13.5 dBm±0.5 dBm （線損和儀器會引入誤差）。按照圖1的典型應用電路構建了單級AGC系統(tǒng)，動態(tài)范圍測試結果如表1。多級AGC系統(tǒng)由多個單級AGC系統(tǒng)級聯(lián)實現(xiàn)，根據(jù)公式（1），為實現(xiàn)多級 AGC系統(tǒng)還需測試單級AGC系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，測試結果如表2。盡管噪聲系數(shù)達到了20 dB左右，但在實際寬帶接收機應用中，AGC系統(tǒng)一般都設置在中頻模塊中，只要保證接收機前端模塊有優(yōu)良噪聲系數(shù)和較高的增益，此系統(tǒng)的噪聲系數(shù)是可以接受[16]。

表1 單級AGC系統(tǒng)動態(tài)范圍測試結果

表2 單級AGC系統(tǒng)噪聲系數(shù)測試結果

3.2 二級AGC系統(tǒng)

二級AGC可實現(xiàn)90 dB（-78～12 dBm）動態(tài)范圍的自動增益控制，得到穩(wěn)定輸出為-13.5 dBm±0.5 dBm。二級AGC系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。為了實現(xiàn)90 dB的動態(tài)范圍，后級AGC最大輸入起控電平應達到12 dBm，因此兩級AGC之間放大器和濾波器級聯(lián)后的增益應達到25.5 dB。此外，后級的輸入噪聲功率Ni必須小于最小起控電平-33 dBm。前級AGC系統(tǒng)、放大器和濾波器級聯(lián)后的增益G=45 dB，噪聲系數(shù)NF=20 dB，Ni＜-33 dBm，代入式（1）得到B＜39.8 MHz。二級AGC系統(tǒng)動態(tài)范圍與系統(tǒng)帶寬之間的關系為：動態(tài)范圍=90-10 lg（B（MHz）/39.8（MHz））（dB）。

應用實例如圖2。實例中放大器選用了Stanford公司的SGC-6586，工作頻率為DC～2500 MHz，增益在100 MHz附近的實測值為25.5 dB，噪聲系數(shù)NF為2.6 dB；濾波器選用了博倫公司的LC濾波器B70A-20-6S1，中心頻率70 MHz，帶寬B=20 MHz，插損1 dB。后級AGC系統(tǒng)之前的增益G=44 dB，由式（2）可得到系統(tǒng)噪聲系數(shù)NF=20 dB，將B、G、NF代入式（1），可得到Ni=-40 dBm＜-33 dBm，噪聲功率不起控。然而。由于放大器和濾波器級聯(lián)后的增益24.5 dB與理想增益相差1 dB，因此動態(tài)范圍能達到89 dB。測試結果如表2。

圖2 二級AGC系統(tǒng)應用實例

表3 二級AGC系統(tǒng)動態(tài)范圍測試結果

3.3 三級AGC系統(tǒng)

三級AGC系統(tǒng)理論上可實現(xiàn)135 dB（-123 dBm～ 12 dBm）動態(tài)范圍的自動增益控制，得到穩(wěn)定輸出為-13.5 dBm±0.5 dBm。三級AGC系統(tǒng)原理框圖如圖3。為了實現(xiàn)135 dB的動態(tài)范圍，三級AGC系統(tǒng)的設計原理與二級AGC系統(tǒng)一致。理想的90 dB動態(tài)范圍的二級AGC系統(tǒng)的G=64.5 dB，NF=20 dB，因此單級AGC系統(tǒng)之前的增益G=63.5 dB+25.5 dB=90 dB，Ni＜-33 dBm，代入式（1）得到濾波器 B＜1.259 KHz。由于濾波器很難做到如此窄的帶寬，因此135 dB的動態(tài)范圍很難達到。而對于實際工程應用而言，動態(tài)范圍120 dB已經(jīng)非常理想了，單級和二級AGC系統(tǒng)之間的增益減小為10.5 dB即可，這樣濾波器帶寬B＜39.81 kHz，中頻的晶體濾波器是容易達到此指標的。三級AGC系統(tǒng)動態(tài)范圍與系統(tǒng)帶寬之間的關系為：動態(tài)范圍=135-10 lg（B（kHz）/1.259（kHz））（dB）。

應用實例如圖3所示。實例中二級AGC系統(tǒng)沿用上一小節(jié)的設計，放大器選用SGC-6386；工作頻率為DC～3000 MHz，增益在100 MHz附近的實測值為15.5 dB，噪聲系數(shù)NF為3.8 dB；窄帶濾波器選用天奧電子公司的晶體濾波器STXFA03-E70M18-60[18]，中心頻率70 MHz，帶寬B=18 kHz，插損5 dB。后級AGC系統(tǒng)之前的增益G=74 dB，噪聲系數(shù)NF=20 dB，將B、G、NF代入式 （1），可得到Ni=-37.4 dBm＜-33 dBm，噪聲功率不起控。由于上小節(jié)設計的二級AGC系統(tǒng)實例動態(tài)范圍為89 dB，因此三級AGC系統(tǒng)實例動態(tài)范圍能達到119 dB。測試結果如表4所示。

圖3 三級AGC系統(tǒng)應用實例

表4 三級AGC系統(tǒng)動態(tài)范圍測試結果

4 結 論

文中以AD8367芯片為基礎，從單級AGC系統(tǒng)的設計延伸到多級AGC系統(tǒng)的設計，分析了多級AGC系統(tǒng)的工作原理，提出了超大動態(tài)范圍（超過100 dB）的實現(xiàn)方案。選型合適的元器件，構建出了119 dB動態(tài)范圍的三級AGC系統(tǒng)并進行了測試，實測結果表明此設計方案是準確可行的，對超大動態(tài)范圍接收機的設計有支撐和借鑒意義。

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Design and test of ultra large dynamic range AGC system based on AD8367

QING Chen
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

In order to satisfy the requirement of the ultra large dynamic range receiver，a design of the ultra large dynamic range AGC system based on AD8367 is proposed.By the way of analyzing the noise power of every series in the AGC system，combining the test data of AD8367's internally-determined setpoint，selecting amplifiers of the proper gain and filters of the proper bandwidth，the ultra large dynamic range AGC system was established.The test data of the system shows its excellent ultra large dynamic range property.

AGC；ultra large dynamic range；noise power；AD8367

TN721

：A

：1674-6236（2017）08-0097-03

2016-03-31稿件編號：201603420

卿晨（1987—），男，四川什邡人，碩士，工程師。研究方向：射頻接收機設計、射頻信道綜合化設計、微波電路與系統(tǒng)。