自动增益控制电路的设计与实现

自动增益控制电路的设计与实现
实验报告
北京邮电大学
信息与通信工程学院
一：课题名称
自动增益控制电路的设计与实现
二：摘要及关键词
1、摘要：
在处理输入的模拟信号时，经常会遇到通信信道或传感器衰减强度大幅变化的情况；另外，在其他应用中，如监控系统中的多个相同传感器返回的信号中，频谱结构和动态范围大体相似，而最大波幅却相差甚多的现象。

很多时候系统会遇到不可预知的信号，导致因为非重复性事件而丢失数据。

此时，可以使用带AGC（自动增益控制）的自适应前置放大器，使增益能随信号强弱而自动调整，以保持输出相对稳定。

本实验在介绍了AGC电路的基础上，采用了一种相对简单而有效实现预通道AGC的方法，电路中使用了一个短路双极晶体管直接进行小信号控制的方法。

2、关键词：
驱动缓冲可变衰减自动增益控制电压跟随器反馈
三：设计任务要求
1、基本要求：
1）设计实现一个AGC电路，设计指标以及给定条件为：
输入信号0.5～50mVrms；
输出信号：0.5～1.5Vrms；
信号带宽：100～5KHz；
2）设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘
制完整的电路原理图（SCH）及印制电路板图（PCB）
2、提高要求：
1）设计一种采用其他方式的AGC电路；
2）采用麦克风作为输入，8Ω喇叭作为输出的完整音频系统。

3、探究要求：
1）如何设计具有更宽输入电压范围的AGC电路；
2）测试AGC电路中的总谐波失真（THD）及如何有效的降低THD。

四：设计思路及总体结构框架
1、设计思路
①该实验电路中使用了一个短路双极晶体管直接进行小信号控制
的方法，从而相对简单而有效实现预通道AGC的功能。

如下图，可变分
压器由一个固定电阻R1和一个可变电阻构成，控制信号的交流振幅。

可变电阻采用基极-集电极短路方式的双极性晶体管微分电阻实现为改
变Q1电阻，可从一个由电压源和大阻值电阻R2组成的直流源直接向短
路晶体管注入电流。

为防止R2影响电路的交流电压传输特性。

R2的阻
值必须远大于R1.
VGA
Input Output
Detetor
由短路三极管构成的衰减器电路
②对正电流的I所有可用值（一般都小于晶体管的最大额定设计
电流），晶体管Q1的集电极-发射极饱和电压小于它的基极-发射极阈值
电压，于是晶体管工作在有效状态。

短路晶体管的V-I特性曲线非常类
似与PN二极管，符合肖特基方程，除了稍高的直流电压值外，即器件
电压的变化与直流电流变化的对数成正比。

③输入信号VIN驱动输入缓冲极Q1，中间互补级联放大电路
Q2、Q3提供大部分电压增益，通过负反馈网络回到放大级的输入端。

R4构成可变衰减器的固定电阻，Q6构成衰减器的可变电阻部分，D1、D2构成一个倍压整流器。

它从输出级Q4提取信号的一部分并为Q5生成控制电压，这种构置可以容纳非对称信号波形的两极性的大峰值振幅。

电阻R15决定AGC的开始时间（若与C6组合的R15过小，则使反馈传输函数产生极点，导致不稳定），电阻R17决定AGC的释放时间。

R14是1KΩ电阻，将发射极输出跟随器Q4与信号输出端隔离开。

2、总体结构框图
五：分块电路和总体电路的设计1、9V稳压源电路
2、信号缓冲输入级电路
3、直流耦合互补级联电路（提供大部分增益）：
6、总体电路设计
该电路主要由输入前级、中间直流互补级联放级、倍压整流电路、反馈网络组成。

其中反馈网络跨在直流互补耦合级联放大级的前端与输出级的前端之间，使信号自动衰减为一定的值（小幅波动），实现自动增益控制。

六、所实现功能说明
1、基本功能：
输入的信号范围在0.5～50mVrms时，经过输入缓冲级，直流耦合互补级联放大信号（提供大部分增益），经过射极跟随器，接输出端同
时引反馈回去到放大级前端，反馈由具有倍压整流作用的D1、D2和可
变衰减器，对不同的输入信号，反馈信号大小不一样，使经输入缓冲级
放大电路放大的信号与反馈信号叠加，叠加后的信号幅度在很小的范围
波动，再经过放大，使输出电压0.5～1.5Vrms，信号带宽满足覆盖
100Hz～5KHz的要求，实现了自动增益控制。

2、直流电源：Vcc=9V
3
4
（1）输入端接输入信号，电压有效值0.5～50mV，频率在100Hz～5KHz，为得到不同频率不同电压下的增益数据，采取单变量法测
试，用示波器观察输入输出信号，使用交流毫伏表测量输入输出的
信号电压的有效值，计算增益；
（2）具体测试过程如下：
保持输入电压有效值0.5mV，改变信号频率从100Hz变化到5KHz （为取得更多的数据，可以每次增大500Hz，多测数据），测量记录
如上表格所示；
（3）由测出的数据可以计算出增益，同时可见，再输入电压在规定的范围内大幅波动时，输出电压在规定的范围内以很小幅度波动，即
可认为输入在规定范围内变化时，输出不变，实现了自动增益控制
的功能；
（4）为了解反馈网络在自动增益控制电路中的作用，可以在反馈输出端接示波器通道来观察测量反馈输出信号，亦可把反馈引回的线
去掉，用示波器观察测量没有反馈时的输出信号，记录测量的数
据，分析可以看出反馈网络在该电路中举足轻重的地位，这也是
该电路称为反馈式AGC的原因。

（5）用示波器观察输入缓冲级（该实验中注释为Q1）的集电极输出波形，记录测量数据；把反馈去掉，同样观察测量Q1集电极的
波形，对比可见，有反馈的时候Q1的集电极输出信号幅值基本
为2mV，而无反馈的时候，Q1的集电极输出信号幅值为伏级上的，
比有反馈的时候大的多，可见自动衰减的负反馈信号与经缓冲级
放大的信号叠加，使信号维持在一个比较稳定的值。

（6）测量倍压整流电路（D1、D2构成）的输出信号波形，增进对倍压整流器的工作原理的理解。

七、故障及问题分析
做PCB板时，由于刚开始对于软件不熟悉，所以走了不少弯路。

首先，将原理图画好后，运行总是出错，最后发现是未将原理图放入工程，其次将原件导入PCB板时，没有画禁布线区，并且未放置焊盘，导致无法布线。

后经调整，并查阅相关资料完成了PCB板。

首先，连接电路用了较长时间。

第一次连接完毕，发现地线和电源线接的太乱，并且导线过多。

第二次连接完成后，却无法得到预期的输出波形，而是在电源接通后会出现方波，检查电路并未发现错误，于是又进行了第三次连接，但还是未得到预期效果，经过检查，应对各级参数进行对比发现R13忘记接地，改正过后得到了满意的波形。

八、总结和结论
1、本实验综合性较强，考察了理论分析与动手实践的综合能力，让我
们通过实验，加深了对模电的认识。

2、本实验采用了反馈式自动增益控制电路，主要由输入缓冲级、直流
耦合互补级联、信号输出级、倍压整流与反馈几个部分组成。

倍压
整流与反馈实现了自动增益控制的功能。

3、由于自动增益控制电路比较复杂，我们在实验中应该学会部分分析
的方法。

当电路的输出电压波形不符合预期时，要根据实际的输出
与理论分析的输出之间的差距来分析故障发生在哪里，这样可使我
们缩小排查的范围，提高实验效率，同时加深理解了电路每一部分
的具体功能。

4、在连接电路之前，应该先设计好具体的电路布局，使得整体清晰美
观，这样可以避免不必要的返工。

5、输出的信号电压基本为1.35Vrms，以很小幅度波动，在实验要求的
范围内，输出信号带宽为50Hz～225KHz，覆盖要求的频率宽度，可
以处理很宽频带的信号，说明该电路对信号处理能力强，但同时带
来一个问题，通频带宽，选择性差。

6、该自动增益控制电路，输入信号范围为0.5～50mVrms输出信号为
0.5～1.5Vrms信号带宽：100～5KHz，适合应用于低频段小信号处理
的系统中。

九、PROTEL绘制的原理图
1、PROTEL绘制的AGC电路原理图：
该电路主要有几部分组成：
输入前级、中间直流互补级联放大级、倍压整流电路、反馈网络、输
出级。

其中反馈网络跨在直流互补耦合级联放大级的前端与输出级的前端
之间，使信号自动衰减为一定的值，实现自动增益控制。

2、用PROTEL生成的PCB板
3、9V稳压源电路原理图：
4、9V稳压源生成PCB板
5、实物效果
十、所用元器件及测试仪表清单
1、元器件清单
2、测试仪器清单
（1）信号发生器；
（2）示波器；
（3）交流毫伏表；
（4）万用表；
（5）直流稳压电源；
十一、参考文献
[1]《电子电路综合设计实验教程》北京邮电大学电路实验中心
[2]《Protel DXP 电子设计使用教程》袁鹏平付刚罗开玉化学工
业出版社
一种新能优良结构简单的AGC电路
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许多应用类电子装置中都需要自动增益控制电路。

自动增益控制电路的功能是在输入信号幅度变化较大时，能使输出信号幅度稳定不变或限制在一个很小范围内变化的特殊功能电路，简称为AGC电路。

AGC 电路的基本原理是随着输入信号幅度的变化产生一个相应变化的直流电压(AGC电压)，利用这一电压去控制一种可变增益放大器的放大倍数(或者控制一种可变衰减电路的衰减量)：当输入信号幅度较大时AGC电压控制可变增益放大
许多应用类电子装置中都需要自动增益控制电路。

自动增益控制电路的功能是在输入信号幅度变化较大时，能使输出信号幅度稳定不变或限制在一个很小范围内变化的特殊功能电路，简称为AGC电路。

AGC电路的基本原理是随着输入信号幅度的变化产生一个相应变化的直流电压(AGC电压)，利用这一电压去控制一种可变增益放大器的放大倍数(或者控制一种可变衰减电路的衰减量)：当输入信号幅度较大时AGC电压控制可变增益放大器的放大倍数减小(或者增大可变衰减电路衰减量)，当输入信号幅度较小时AGC电压控制可变增益放大器的放大倍数增加(或者减小可变衰减电路衰减量)。

显然，这种自动增益控制可以达到输出信号幅度基本稳定的目的。

增益可调的运算放大器(如AD603)常被用在AGC电路中，但是这一类器件不仅价格高，而且市面上难以买到。

经过多次试验，笔者使用普通元件设计出了一种成本低廉、性能优良、结构简单的AGC电路。

原理
见下图。

上图中，输入信号经电阻R1、R2分压后送往运放F1的同相输入端，二极管VD对运放F1的输出信号整流后，经过一个π形滤波电路得到一个负向的AGC电压，这一电压经运放F2放大后送往场效应管
3DJ6的栅极。

当输入信号的幅值较大时，相应地得到了较大的AGC电压，运放F2输出较大的负压至场效应管3DJ6的栅极，增大了场效应管3DJ6的源漏极问的电阻，从而减小了运放F1的放大倍数；输入信号的幅度进一步加大时，场效应管3DJ6的源漏极问的电阻也会进一步加大，使运放Fl的放大倍数进一步减小……直至场效应管3DJ6的源漏极被完全夹断，这时运放F1失去放大能力成了电压跟随器。

反之，当输入信号的幅值较小时，AGC电压也很小，运放F2输出也小，场效应管3DJ6的源漏极间的电阻很低，使运放F1得到较大的放大倍数，从而在F1的输出端可以得到幅值较大的信号。

笔者在试验时，F1、F2采用了双运放电路LF412，使用-6V和+6V双电源工作，并采用了上图所示的元件参数搭建了电路。

试验发现，当输入信号由200mV逐渐增加到2．2V时，运放F1的输出信号都能基本稳定在400mV。

试验电路的工作非常可靠，频率覆盖了整个音频频率。

本电路的另一个特点是：由于在本电路的主信号回路中没有使用电容，电路的输出信号就没有产生相位的移动，这一特点对于某些基于相位的电子测量和电子控制装置来说，显得尤其重要。

如果需要在电路输出端得到较高幅值的信号，可以在运放F1的输出端增加2只电阻R11和R12，见下图。

调整电阻R11和R12的阻值，就能在F1的输出端得到不同幅值的输出信号。