基于LMH6505的中频信号调理电路设计

1 引言

数字接收机对输入模拟信号的要求往往要比模拟接收机更严格，除了频率方面有限制外，为了提高A／D 数据采集的精度，还要求输入信号的幅度既不能过大，也不应过小。因此为了改善数字接收机的动态范围，较常见的解决方法是在其前级增加信号调理单元。这里给出一种采用宽带可变增益放大器LMH6505为核心器件实现的具有自动增益控制功能的信号调理电路。与使用专用自动增益控制器件的设计相比，该信号调理电路更适用于中频信号处理。

2 自动增益控制原理

自动增益控制AGC(Auto Gain Control)，即在信号幅度变化较大的情况下，通过调整电路放大系数来保持输出信号幅度恒定或基本不变。图1为自动增益控制的一种实现方法。

输出信号Sout反馈至比较器，与期望输出相比较，其误差e被送至检波器。若Sout与期望输出相等，则检波器输出值Sf不变；若Sout小于期望输出，则检波器输出作相应变化，通过反馈控制使可变增益放大器的增益增大，从而增大Sout的幅度，反之亦然。放大器可将Sf的范围调整至可变增益放大器反馈端口要求的电压范同内，可放大，也可分压。其中检波后的输出信号Sf经低通滤波后再放大，从而滤除增益控制信号中无需的高频分量。



3 信号调理电路设计

该信号调理电路作为AD6645数据采集器件的前级，要求输入信号幅度为0～5 V，输出信号带宽为30 MHz，幅度在1 V以内并尽量接近1 V，－3 dB增益范同大于40 dB。根据以上要求，输入信号首先经交流耦合送至AGC模块的输入端，将幅度调整至0．9 V左右，再经射极跟随器隔离，送至截止频率为30 MHz的四阶巴特沃思低通滤波器，最后输出至AD6645，该电路的所有运放均采用±5 V的供电电压。
3．1 可变增益放大器LMH6505

可变增益放大器LMH6505是一款高动态范围的低功耗宽带高速放大器，该器件增益可调整范围为80 dB，低增益时的－3 dB带宽为150 MHz，压摆率为1 500 V/μs，在无负载的条件下输出电流典型值仅为11 mA，能够适应一般中频信号接收机对自动增益控制电路的要求。图2为LMH6505的引脚配置。

3．2 AGC电路设计

图3为AGC模块的电路图。中频输入信号Vin首先送至LMH6505的输入端，经放大后的信号Vout从输出端输出；同时Vout经肖特基二极管VDI 整流后送至积分检波器的输入负端-IN，积分器正端+IN接参考电平Vref因为积分器的实际输入为两输入端的电压差，故调整Vref令其等于期望输出信号幅度减去二极管VDI上的压降，即可完成上述比较功能。这里积分器中运算放大器选用超宽带运放LMH6609，以满足对反馈电路频率特性的要求；适当调整积分电路C1与R3的值，令其时间常数满足输出信号的频率要求，积分器输出的电压便会趋向于一稳定值，再绎R1与R2分压调整，直接送至LMH6505 的电压控制端，从而完成闭环反馈。


LMH6505的应用电路中，输入信号Vin的最大幅度与Rg成正比，是Rg的±7．4倍，Rf 用来调整LMH6505的增益范围，最大增益为Rf/Rg的0．94倍。由此看出，涮整实际增益范围受Rf与Rg的共同约束。当输入大信号时，Rg值需也较大，若此时需要最大增益较大，则又使Rf更大。经实际测量，Rf值大于50 kΩ会导致LMH6505的反馈电流过小，使整体增益系数急剧下降，并增大输出的直流偏置，故当要求较宽的动态范围时，LMH6505更适用于仅包括输入弱信号放大或输入大信号衰减的系统。


3．3 低通滤波器电路设计

由于截止频率较高，并考虑到设计成本与器件体积问题，该设计选用双通道宽带运放 LMH6715构建四阶巴特沃思有源低通滤波器，如图4所示。图4中LMH6715_A与LMH6715_B实际集成在一起。由于信号在前级已经过自动增益控制处理。故该滤波器通带增益为1，经验证该滤波器通带波纹为50 dB，-3 dB截止频率为29．8 MHz，阻带衰减为40 dB，满足设计需求。

4 仿真结果分析

该电路经过PSPICE仿真，在输入频率为10 MHz，幅度为0．1 V的正弦波时，输入／输出波形如图5所示；在输入频率为30 MHz，幅度为4 V的正弦波时，输入／输出波形如图6所示。可以看出，输出信号的幅度基本稳定在0．9 V，中频下闭环增益可调范围大于30 dB，由于后级连接隔直电容，输出的暂态时间约为400 ns，实际增益调整暂态时间约70 ns。在信号带宽10 MHz情况下闭环增益可调范围大于40 dB，电路增益带宽积为500 dBMHz，二次谐波比大于40 dB。