实现接收机大动态范围的中频AGC电路设计

实现接收机大动态范围的中频AGC电路设计
程龙香;徐建华
【摘要】介绍了AD公司VGA放大器AD8367的主要性能和器件特点,在此基础上,利用其内置检波器构成增益负反馈环路,设计实现了大于75 dB动态范围的中频AGC电路.该电路主要由两级串联AD8367、中间级IF放大器和四级L形宽带电阻匹配网络构成,具有自动调整电路增益以分析强弱差异信号的功能.调试过程中,对信号电平和输入输出匹配电路进行适当调整,以达到AGC电路信号控制范围最大化的目的,最终测试结果表明电路基本能满足接收机系统性能指标的要求.
【期刊名称】《电子与封装》
【年(卷),期】2018(018)009
【总页数】3页(P26-28)
【关键词】动态范围;AGC;AD8367
【作者】程龙香;徐建华
【作者单位】中国电子科技集团公司第五十五研究所,南京210016;中国电子科技集团公司第五十五研究所,南京210016
【正文语种】中文
【中图分类】TN402
1 引言
电磁波在空间传播的过程中，由于信号传播路径、障碍物等差异，导致信号到达接
收天线时的幅度呈现一定范围的变化。

为了对不同幅度输入信号进行检测分析，接收机中通常需要采用中频自动增益控制(AGC)电路，来实现将不同幅值的微波信号线性放大至几乎相同的信号幅度[1-2]，图1给出了接收机的电路原理框图。

由于单级AGC电路无法提供足够大的增益控制范围，因此实际应用中往往采用多级结构。

在本设计中，中频AGC电路采用两级AD8367级联。

两级AD8367的输入输出端口通过L形电阻网络将200 Ω特性阻抗匹配至50 Ω系统特性阻抗，使电路输入输出驻波比达到要求，并且为了补偿L形电阻匹配网络引入的信号衰减，在两级AD8367之间串联一级放大器。

图1 接收机电路简化原理框图
2 自动增益控制电路的基本原理
由于种种原因，接收天线上感应的信号强度是有明显变化的，当信号强度增大时，送入接收通道的信号也增大。

信号过强时，还有可能使放大器饱和，接收机不能正常工作[3]。

为保证接收通道输出信号保持基本不变，在接收通道中必须设计AGC 电路。

AGC电路使接收通道在接收弱信号时保持高增益，而接收强信号时放大器增益自动降低[4]，以保持输出信号强度基本不变，AGC电路控制原理框图如图2所示。

图2 AGC电路原理框图
图3理想AGC电路增益控制特性
图2 中可变增益放大器的增益受控于比较器的输出电压，在一定电压范围内实现增益的自动控制。

接收信号进入可变增益放大器后，输出信号经检波器检波得到检波电压，检波电压再与参考电压一起输入比较器，得到两个输入信号的误差电压，用来控制可变增益放大器的增益[5]。

参考电压作为AGC起控的门限值，决定了可变增益放大器开始释放增益的输入信号幅度下限。

当输入信号大于该下限值时，可变增益放大器具有最小增益；当输入信号逐渐减小至下限值以下，可变增益放大器
则开始逐渐释放增益，使输出信号幅度保持稳定；当输入信号不断减小，直至可变增益放大器达到最大增益后，此时已超出放大器的可控范围，因此输出信号也将随之减小，图3给出了可变增益放大器的增益控制特性。

3 大动态范围中频AGC电路的设计
放大器AD8367是一款具有线性增益控制特性的可变增益放大器，适用于500 MHz以下频率范围内，单级增益控制范围可达45 dB。

其特点是在片内集成了平方律检波器，无需外接功分器、检波器即可实现单片闭环AGC应用[6]。

图4是AD8367处于AGC闭环工作状态时的电路结构。

引脚6输出的检波电压连接至引脚5用来控制放大器的增益，同时也可作为输出指示电平，用来表征输入信号的幅度大小。

另外，由于接收机系统特性阻抗是50 Ω，而AD8367输入输出阻抗为200 Ω，两者阻抗不匹配将会引起很大的驻波和反射损耗。

因此，在AD8367的输入和输出端均由51 Ω串联电阻和180 Ω并联电阻构成L形宽带电阻匹配网络，每一级匹配网络带来约11.5 dB的插入损耗，从而输入输出端两级匹配网络一共引入约23 dB的插入损耗。

图4 单级AD8367自动增益控制电路
综上所述，为了达到75 dB以上的增益控制范围，本文基于AD8367设计的两级中频AGC电路的最终电路结构如图5所示。

两级AD8367之间的中频放大器用来补偿前级电阻匹配网络引入的插入损耗，使送往下级AD8367的信号电平刚好能够达到起控电平。

图5 75 dB动态范围中频AGC电路结构
该方案经测试验证，实际增益控制范围达到近80dB，增益控制精度小于1 dB，AGC建立时间小于25 μs，恢复时间小于5 μs。

当输入信号从控制范围的上端逐渐减小至控制范围的下端，检波电压以近似线性的趋势逐渐增大；将AGC输出信号连接至示波器，观察整个控制范围内输出信号的波形，可以看到输出噪声随着输
入信号的减小而逐渐增大，使信号波形由清晰逐渐转为模糊。

当输入信号接近控制范围的下端时，信号携带的噪声功率明显增大，并逐渐接近信号功率，此时进一步减小输入信号，由于噪声功率的影响，导致检波器不能再分辨信号功率的减小。

将图6（a）中示波器显示的AGC输出信号时域波形与理想AGC电路输出时域波形（见图7）进行对比，可以看到信号包络有少许失真。

这是因为在电路的实际调试过程中，发现接收机系统前级信号衰减较大，导致两级AGC放大器的输入信号未能达到其起控值。

为了弥补信号衰减，增大后级电路的信号输入值，调试过程中将图5所示的L形宽带电阻匹配网络中51 Ω串联电阻适当减小、180 Ω并联电阻适当增大，通过适当牺牲AD8367前后级匹配系数来增大信号幅度，从而最大化AGC电路的信号控制范围。

图6 中频AGC电路输出时域波形
图7 理想AGC电路输出时域波形
4 结论
本文以无线通信应用为背景，在无外部控制电路的情况下，基于AD8367放大器设计了一个增益控制范围大于75 dB的中频AGC电路，使接收机能够在很大范围内对接收信号进行线性放大，并且增益控制精度、AGC建立时间和恢复时间等关键指标均满足接收系统的要求。

文中基于AD8367放大器选取这样的电路结构，不但简化了传统AGC电路，同时实现了良好的线性增益控制特性，使得中频输出信号在近80 dB的动态范围内呈现出较好的正弦波形，且带外抑制指标也达到25 dB以上。

该方案已经在一款T/R组件中得到应用，取得了理想的控制效果。

参考文献：
【相关文献】
[1]黄兴雯.高频电子线路[M].北京:高等教育出版社，2003:323-327.
[2]顾宝良.通信电子线路[M].北京:电子工业出版社，2007:244-245.
[3]吴明权.无线接收机中自动增益控制电路的设计[D].湖南:湘潭大学硕士学位论文，2015:13.
[4]王中文，孙延辉，石广源.无线通信领域中自动增益控制电路的研究[J].辽宁大学学报，2007，34(1):15-16.
[5]吴建斌，田茂.基于AD603的时变增益放大器的实现[J].电子测量技术，2008(04)：29-32.
[6]Analog Devices.AD8367Datasheet[Z].Analog Devices Inc，2001.。