宽带大动态AGC电路设计

摘要：自动增益控制电路是接收机模块中的关键控制电路之一，其作用是改善接收杌的动态范围。具体分析了自动增益控制电路的工作原理以及AGC的分类方式。为了设计宽带大动态的AGC电路，分析了可变增益ADL5330和对数放大器AD8318的电路功能和主要性标，并利用这两款芯片设计了一种宽带大动态AGC模块，给出了典型电路及测试结果。与传统AGC电路相该电路结构简单、体积小，且能实现宽带、大动态、低噪声放大等功能。
关键词：自动增益控制；动态范围；对数增益控制；响应时间；温度稳定性

自动增益控制电路广泛应用于接收机中，这是由于下列原因造成的：接收机距辐射源的距离可以有很大的变化；电波在空间传播有明显的衰落现象；以及其他一些干扰因素，使得作用在接收机输入端的信号强度有很大变化和起伏。但是，接收机的终端设备一般只能处理幅度变化不大的信号，信号过强过弱或忽大忽小都会使终端设备失效。因此，接收机中非常强调自动增益控制，来保证接收机输出信号幅度的平稳性。文中以ADL5330作为可变增益放大器利用AD8318作为外部检波器起控ADL5330的方式，完成了动态范围达到60 dB的AGC电路。

1 技术指标和设计方案
本项目相关技术指标为：输入射频功率：-56～4 dBm；输入射频频率：1 500+500 MHz；输出功率：-4dBm。
AGC电路可分为用电控衰减器以及其他模拟电路来完成的模拟式和用数控衰减器来完成对电路增益控制的数字式。峰值型AGC电路、选通型AGC、时间-增益控制(STC)均属于模拟式AGC。综合考虑几种AGC电路的性能优缺点，虽然峰值型AGC电路在早期的接收机中温度性能较差，温度易变化，控制曲线易发生漂移，但其电路简洁，是闭环的AGC，无需外部信号配合使用，如数字AGC方式需要由信号处理机送AGC控制信号。近年来，随着技术和工艺手段的飞速发展，高精确度和温度稳定性较好的对数检波器大量涌现以及可变增益放大器VGA的出现，制约AGC温度性能的因素得到解决，使得该方式电路得到广泛应用。

2 AGC电路原理分析
AGC电路主要由控制电路和被控电路两部分组成。控制电路就是AGC直流电压的产生部分，被控电路的功能是按照控制电路所产生的变化着的控制电压来改变接收机的增益。

自动增益控制环路中通常包含的模块有可变增益放大器、幅度检测器、对数放大器、环路滤波器。如图1所示，其中Ain和Aout分别是输入输出信号的幅度，G(VC)是受电压VC控制的可变增益放大器的增益。则有，
Aout=G(VC)Ain (1)
将输入输出转化为对数形式，

其中KV1是跟Ain和Aout单位相同的常数。
利用(2)式可以得到图1在对数域对应的模型，如图2所示。虚线框内表示的是对数域内的运算。X(t)是输入信号，Y(t)是输出信号。

环路滤波器传输函数为：

如果对等式(6)进行一些限制，它可以成为一个线性方程，它所描述的系统即为线性系统。如果等号右边第2项的系数为常数，可以使得等式(6)成为线性方程，因此令：

由式(12)可知，最终输出信号为Vref／KV2，且与输入信号无关，即输出信号可以恒定于某一固定值。也可以将系统的直流传输特性理解为，输入信号有任意的直流变化，输出信号的直流变化为零。之所以直流输出不随输入变化，是因为系统的环路直流增益为无穷大，如果环路滤波器直流增益不是无穷大，直流输出也会随着直流输入改变略有变化。根据式(12)可以得到最终输出电压的幅度为：

自动增益控制环路传输函数的频谱如图3所示，函数具有高通特性。环路滤波器带宽为零，故传输函数从零开始增大，如果环路滤波器带宽为B，则传输函数会从频率B处开始增大。图4是自动增益控制环路直流传输特性。当输入信号幅度很小时，可变增益放大器一直保持最大增益，输出到达目标功率后环路开始工作，此时理想环路的输出幅度应该恒定不变，实际电路输出幅度会略有增大，当可变增益放大器到达最小增益后，环路停止工作，输出幅度随输入幅度增大而增大。

3 AGC电路设计
利用一个VGA(ADL5330)和一个对数检波器(AD8318)提供闭环自动功率控制。由于AD8318具有较高的温度稳定性，而且AD8318 RF检波器可确保ADL5330 VGA的输出端具有同样水平的温度稳定性，因此该电路在整个温度范围都能保持稳定。该电路还增加了对数放大器检波器，用来将ADL5330从开环可变增益放大器转换为闭环输出功率控制电路。AD8318与ADL5330一样，具有线性dB传递函数，因此Pout对设定点传递函数也遵循线性dB特性。
图5显示在AGC环路中工作的ADL5330。增加对数放大器AD8318后，该AGC在较宽的输出功率控制范围具有更高的温度稳定性。AD8318是一款1 MHz至8 GHz精密解调对数放大器，提供较大的检波范围(60 dB)，温度稳定性为±0．5 dB。ADL5330的增益控制引脚受AD8318的输出引脚
控制。电压VOUT的范围为0 V至接近VPOS。为避免过驱恢复问题，可以用阻性分压器按比例缩小AD8318的输出电压，以便与ADL5330的0～1．4 V增益控制范围接口。