基于AD8367的大動(dòng)態(tài)范圍AGC系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)-新品速遞

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國(guó)防科技大學(xué)朱群鄭林華

引言

AD8367是一款具有45dB控制范圍的高性能可變?cè)鲆娣糯笃鳎斎胄盘?hào)從低頻到500MHz帶寬內(nèi)增益均是以分貝為單位線(xiàn)性變化。它適用于雷達(dá)、移動(dòng)通信基站、衛(wèi)星接收機(jī)等通信設(shè)備。本文將介紹其特點(diǎn)、工作原理，及其在70dB大動(dòng)態(tài)范圍控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，給出了兩種級(jí)聯(lián)控制的電路連接方法并對(duì)二者性能做出了比較分析。

AD8367芯片介紹

AD8367是基于AD公司X-AMP結(jié)構(gòu)的可變?cè)鲆嬷蓄l放大器，能夠?qū)崿F(xiàn)的增益控制，單片控制范圍45dB。它既能配置應(yīng)用于外加電壓控制的傳統(tǒng)的VGA模式，同時(shí)內(nèi)部還集成了平方律檢波器，因而也可以工作于自動(dòng)增益控制模式。它的引腳圖如圖1。

AD8367是通過(guò)0－45dB可變電壓衰減網(wǎng)絡(luò)加42.5dB固定放大器實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性的增益控制，其內(nèi)部簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖2。

由圖2可見(jiàn)，AD8367的可變衰減由200電阻梯形網(wǎng)絡(luò)和跨導(dǎo)控制單元實(shí)現(xiàn)。電阻網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)增益內(nèi)插器和9個(gè)5dB衰減選擇。增益內(nèi)插器決定增益控制級(jí)，例如當(dāng)級(jí)衰減有效時(shí)，衰減0dB，當(dāng)衰減選中時(shí)，衰減45dB。當(dāng)衰減控制量在兩級(jí)之間時(shí)，則相鄰級(jí)跨導(dǎo)控制單元立即起作用，產(chǎn)生加權(quán)的衰減控制，兩者結(jié)合產(chǎn)生0～45dB任意衰減量。經(jīng)過(guò)內(nèi)部42.5dB固放輸出就實(shí)現(xiàn)了平滑的、以dB為單位的線(xiàn)性增益控制。

模式控制管腳MODE決定控制增益隨控制電壓的變化關(guān)系。當(dāng)MODE接高電平時(shí)，AD8367工作于GainUp模式，增益隨著外加控制電壓Vgain的增大而增大（如圖3）。理想的增益控制方程如下：

Gain（dB）＝50Vgain（V）－5(1)

方程(1)表明增益控制因子為50dB/V（20mV/dB），增益軸截距為5dB（Vgain＝0時(shí)）。

圖3同時(shí)顯示了輸入信號(hào)頻率在200MHz以?xún)?nèi)，增益控制范圍40dB時(shí)，控制波動(dòng)0.5dB。

當(dāng)MODE接低時(shí)，AD8367工作于GainDown模式，控制增益隨控制電壓的增大而減?。▓D3），理想的控制方程為Gain（dB）＝45－50Vgain。

AD8367實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)VGA功能時(shí)，適合于大動(dòng)態(tài)范圍增益控制，能充分利用其控制的線(xiàn)性特性，但需要外加控制電壓。此時(shí)既可以工作于GainUp模式也可以工作于GainDown模式。

當(dāng)AD8367利用內(nèi)置平方律檢波器實(shí)現(xiàn)AGC功能時(shí)，必須工作于GainDown模式。此時(shí)檢波器將輸出信號(hào)與內(nèi)置（354mVrms）參考點(diǎn)比較，小于或超過(guò)參考點(diǎn)，就分別增大或減小控制增益。此時(shí)，檢波器輸出特性與Vgain相同，為20mV/dB，可作為輸入信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI），因此電路連接上只需將檢波器輸出腳DETO與Vgain相連，閉環(huán)構(gòu)成AGC，連接簡(jiǎn)單，如圖4的后級(jí)。

級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)AGC的兩種方法

當(dāng)應(yīng)用中輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍在45dB以上時(shí)，就需要級(jí)聯(lián)AD8367以拓寬控制范圍。下面筆者就以設(shè)計(jì)的70MHz中頻接收機(jī)中，級(jí)聯(lián)兩片AD8367達(dá)到70dBAGC控制范圍為例，給出兩種電路連接方式并對(duì)其做出比較。

利用內(nèi)置檢波器組成AGC控制環(huán)路

級(jí)聯(lián)時(shí)，級(jí)工作于VGA方式，第二級(jí)應(yīng)用于AGC方式，第二級(jí)檢波輸出作為兩級(jí)的Vgain控制輸入。當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí)，信號(hào)的強(qiáng)度經(jīng)第二級(jí)內(nèi)部平方律檢波后，反饋到兩級(jí)可變?cè)鲆婵刂撇糠?，自?dòng)完成增益控制。從整體看，實(shí)現(xiàn)AGC功能。

這樣連接的理由是：如果也將級(jí)工作于AGC方式，而此時(shí)級(jí)輸出并不能到達(dá)內(nèi)置參考點(diǎn)，將始終處于增益狀態(tài)，由圖3可見(jiàn)此時(shí)增益控制波動(dòng)很大；并且這樣兩級(jí)的控制增益不能平均分配，無(wú)法充分利用AD8367增益控制曲線(xiàn)中間段的良好線(xiàn)性特性。而將第二級(jí)檢波同時(shí)控制兩級(jí)的增益，既實(shí)現(xiàn)了AGC功能，同時(shí)也充分利用了AD8367增益控制曲線(xiàn)的線(xiàn)性特性。電路連接A如圖4。

工作于VGA方式外加檢波構(gòu)成AGC

本連接方式是將兩片AD8367均工作于VGA方式，外加檢波電路給出增益控制信號(hào)，閉環(huán)形成AGC功能。

應(yīng)用背景：在數(shù)字中頻接收機(jī)前端應(yīng)用AD8367時(shí)，AGC輸出經(jīng)過(guò)ADC中頻采樣，數(shù)字化后送往FPGA進(jìn)行后續(xù)中頻數(shù)字處理。前一種連接純粹用AD8367內(nèi)部檢波器直接對(duì)AGC輸出檢波，而實(shí)際輸入中總會(huì)有噪聲，此時(shí)對(duì)信號(hào)功率的估計(jì)誤差較大，增益控制也不準(zhǔn)確。因而筆者在FPGA中對(duì)AGC輸出采樣后數(shù)字量進(jìn)行檢波，這樣便于對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾噪處理和采用更加靈活有效的控制算法，以對(duì)AD8367做出的控制。

因此，本連接方式如下：由FPGA采用一定的控制算法，檢測(cè)AGC輸出強(qiáng)度，給出相應(yīng)的數(shù)字控制信號(hào)，經(jīng)DAC后同時(shí)送往兩片AD8367的Vgain控制端，這樣實(shí)際構(gòu)成了外加檢波的AGC控制環(huán)路。檢波輸出同時(shí)控制兩片AD8367，也有效地利用了其增益控制中間段的良好線(xiàn)性。電路連接如圖5。

兩種連接方式比較

控制復(fù)雜性比較

如果AGC輸出后續(xù)均進(jìn)行數(shù)字化處理，則兩種連接方式下，AGC輸出后仍都需經(jīng)過(guò)ADC和可編程數(shù)字芯片。不同的是，連接B需多加一片DAC，輸出增益控制信號(hào)。在控制方法上，連接A由于直接利用了內(nèi)部檢波器，所以無(wú)需設(shè)計(jì)控制算法和外加控制。連接B需要設(shè)計(jì)控制算法，控制信號(hào)需經(jīng)轉(zhuǎn)換后才能控制AD8367，控制過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。

當(dāng)應(yīng)用于純模擬信號(hào)處理場(chǎng)合時(shí)，A方式的電路連接和控制均十分簡(jiǎn)單。

注意點(diǎn)

由于大部分系統(tǒng)是50特性阻抗的，而AD8367為200輸入50輸出匹配，匹配不當(dāng)會(huì)引起很大的駐波和反射損耗，降低增益控制動(dòng)態(tài)范圍，甚至?xí)鹣到y(tǒng)自激。簡(jiǎn)單使用電阻網(wǎng)絡(luò)匹配會(huì)帶來(lái)近11.52＝23db的插入損耗。所以，電路連接中均采用了插損小的LC網(wǎng)絡(luò)匹配。

控制性能比較

在大信噪比情況下，二者均能得到理想的控制結(jié)果，控制精度、控制范圍相當(dāng)。由于外加處理，連接B的AGC響應(yīng)時(shí)間相對(duì)略長(zhǎng)。在輸入為小載噪比情況下，連接A實(shí)際上是檢測(cè)第二級(jí)輸出信號(hào)加噪聲的功率，從而給出增益控制信號(hào)。由于噪聲的存在，檢波精度下降，尤其在信號(hào)本身功率小，噪聲帶寬又很寬的情況下，AGC輸出信噪比更小，對(duì)信號(hào)功率估計(jì)偏差更大，因而此時(shí)對(duì)AGC的調(diào)整不準(zhǔn)確。另一方面，由于對(duì)信號(hào)功率估計(jì)不準(zhǔn)，加之連接A的響應(yīng)時(shí)間極快，因而此時(shí)AGC處于頻繁調(diào)整之中，輸出波動(dòng)較大。

連接B是將數(shù)字化了的AGC輸出信號(hào)送往FPGA進(jìn)行檢波，反饋部分的主要功能由數(shù)字部分實(shí)現(xiàn)，可以使復(fù)雜的AGC控制通過(guò)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)較為容易的得到實(shí)現(xiàn)，具有快速收斂和的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可以從算法上提高檢波精度：例如將AGC輸出經(jīng)窄帶濾波后，帶內(nèi)信噪比提高，對(duì)信號(hào)功率估計(jì)將更加準(zhǔn)確。而且在軟件中可以任意改變建立時(shí)間和衰落時(shí)間，增益控制電壓具有保持能力，避免了AGC頻繁調(diào)節(jié)引起的波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中我們比較了在載噪比45dBHz，噪聲帶寬1MHz情況下，經(jīng)窄帶濾波后（帶寬4KHz）采用增益控制新算法檢波，檢波長(zhǎng)度1024個(gè)信號(hào)周期，調(diào)節(jié)信號(hào)功率至恒定時(shí)，此時(shí)AGC輸出功率波動(dòng)在1dB以?xún)?nèi)。

結(jié)束語(yǔ)

種電路連接簡(jiǎn)單，可以方便的應(yīng)用于噪聲較小的場(chǎng)合。第二種電路連接控制回路采用FPGA實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)和收斂速度更快的同時(shí)便于采用靈活的控制算法，達(dá)到更好的控制性能，該方法已經(jīng)在一款數(shù)字中