接收機(jī)的一種自動(dòng)增益控制電路

中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所 李書恒

本文介紹了美國Avago公司ALM-38140-BLKG PIN管可變衰減器的主要性能和器件特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，配合定向耦合器、大動(dòng)態(tài)檢波器以及比較電路構(gòu)成自動(dòng)增益控制的負(fù)反饋電路。該電路主要由兩級(jí)PIN管可變衰減器串聯(lián)、檢波電路以及比較電路構(gòu)成，具有自動(dòng)調(diào)整電路增益識(shí)別不通信號(hào)強(qiáng)度的功能。

在實(shí)際應(yīng)用場景中，電磁波在自由空間的傳播過程中，受傳播路徑、障礙物等差異影響，導(dǎo)致天線接收到的信號(hào)幅度總是在不斷變化的。為了使接收機(jī)在接收到不同輸入信號(hào)幅度時(shí)，都能進(jìn)行準(zhǔn)確的采樣分析，接收機(jī)中往往需要引入自動(dòng)增益控制(AGC)電路，將不同幅值的輸入信號(hào)時(shí)，實(shí)現(xiàn)線性放大或衰減，從而將輸出信號(hào)幅度保持在一個(gè)需要的范圍。在AGC電路設(shè)計(jì)過程中，采用PIN管可變衰減器，定向耦合器、檢波器配合工作。

由于考慮到將接收機(jī)設(shè)計(jì)為70dB的增益控制范圍，單級(jí)AGC控制無法達(dá)到此要求。因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)往往需要引入兩級(jí)甚至三級(jí)AGC電路，本文的AGC電路采用兩級(jí)ALM-38140-BLKG PIN管可變衰減器級(jí)聯(lián)，器件ALM-38140-BLKG的開環(huán)衰減量40dB、插入損耗3.2dB，配合放大、濾波，接收機(jī)的增益控制范圍可滿足要求。

1 工作原理

由于天氣等種種外界原因，接收天線上接收到的電磁波信號(hào)強(qiáng)度總是在不斷的變化中，當(dāng)天線上接收到的電磁波信號(hào)增大時(shí)，接收機(jī)收到天線的信號(hào)也隨之增大，如果接收機(jī)收到的信號(hào)過強(qiáng)，便很有可能使前級(jí)放大器飽和，從而導(dǎo)致信號(hào)失真，不能線性放大，從而影響接收機(jī)正常工作。自動(dòng)增益控制電路（AGC）是一種閉環(huán)的負(fù)反饋電路，可以根據(jù)輸出信號(hào)幅度自動(dòng)調(diào)增放大電路的放大系數(shù)。在接收機(jī)的放大電路中級(jí)間引入AGC電路，則可以確保接收機(jī)放大電路的放大系數(shù)，在接收機(jī)靈敏度范圍內(nèi)，都能使放大電路的輸出信號(hào)幅度恒定在需要的范圍。AGC電路基本原理框圖如圖1所示。

圖1 AGC電路原理圖

圖1中大動(dòng)態(tài)檢波器根據(jù)定向耦合器耦合支路的信號(hào)幅度大小，計(jì)算出檢波電壓，再經(jīng)比較電路計(jì)算出AGC電壓，PIN管可變衰減器的衰減量就受控于AGC電壓，在接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制，即中頻輸出信號(hào)保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。接收機(jī)的輸入信號(hào)先經(jīng)過可變衰減器后，再經(jīng)過放大器，可避免放大器輸入信號(hào)過大而飽和失真。比較電壓作為AGC電路控制衰減量的閾值，需要根據(jù)實(shí)際電路設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，以確定其電壓值。而比較電壓的作用：當(dāng)大動(dòng)態(tài)檢波器的檢波電壓大于比較電壓時(shí)（本文采用的檢波器檢波電壓與輸入信號(hào)大小成正比），比較電路將減小PIN管的控制電壓，使PIN管衰減量增加。反之當(dāng)檢波電壓小于比較電壓時(shí)，比較電路將增加PIN管的控制電壓，使PIN管衰減量減小。當(dāng)檢波電壓等于比較電壓時(shí)，信號(hào)輸出幅度達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，AGC電路處于“鎖定”狀態(tài)。

2 電路設(shè)計(jì)

ALM-38140-BLKG是一款完全匹配的寬帶PIN管可變衰減器，具有線性衰減控制特性，頻率適用范圍廣（DC-1.9GHz），單個(gè)器件衰減量約40dB，插入損耗3.2dB。

圖2是ALM-38140-BLKG處于閉環(huán)工作狀態(tài)是的電路結(jié)構(gòu)。器件的1腳和3腳分別是信號(hào)的輸入端與輸出端，在器件的輸入、輸出端都加了1000PF的耦合電容，2腳為供電腳，供電電壓設(shè)計(jì)為2.8V，4腳為控制電壓端，通過變化4腳的輸入電壓（0.8-5V），控制期間的衰減量，PIN管衰減量與控制電壓成反比關(guān)系，隨控制電壓的增加而減小。在兩級(jí)PIN管后分別添加低噪聲放大器與濾波器，再進(jìn)行下變頻、濾波、放大，最終輸出中頻信號(hào)。

圖2 單級(jí)ALM-38140-BLKG外圍電路

接收機(jī)的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，實(shí)際電路中引入了兩級(jí)PIN管作為AGC的衰減控制電路，以保證接收機(jī)電路的AGC控制范圍能達(dá)到70dB以上。在調(diào)諧濾波與第一級(jí)放大器級(jí)間引入PIN管，避免信號(hào)太強(qiáng)時(shí)放大器飽和失真，在下變頻后繼續(xù)引入濾波器放大，一方面為了濾除鏡頻干擾，另一方面保證接收機(jī)增益范圍充足。

圖3 接收機(jī)電路結(jié)構(gòu)

電路裝配完成后，對(duì)實(shí)際的產(chǎn)品進(jìn)行了測試，AGC控制范圍約73dB，控制精度小于3dB，AGC響應(yīng)時(shí)間約27μs，滿足行業(yè)普遍要求≤100μs。

結(jié)論：本文以無線電通信為背景，基于PIN管可變衰減器（ALM-38140-BLKG），以定向耦合器、大動(dòng)態(tài)檢波器以及比較電路配合使用，構(gòu)建了一種較為常見的自動(dòng)增益控制電路。將此電路應(yīng)用于接收機(jī)的射頻放大電路中，實(shí)現(xiàn)了射頻放大電路的自動(dòng)增益控制，從而使接收機(jī)的增益控制范圍達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期指標(biāo)（>70dB），控制精度與AGC響應(yīng)時(shí)間也滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。該方案的設(shè)計(jì)思路已應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中，達(dá)到了理想的指標(biāo)要求。