基于AD8367的大动态范围AGC系统设计

摘要：介绍AD8367的特点及工作原理，在此基础上讨论通过两级AD8367串连构造具有70 dB动态范围的70 MHz中频大动态自动增益控制AGC的方法，并给出AGC检波特性曲线。
关键词：大动态范围；中频放大器；闭环控制；自动增益控制(AGC)

    无线通信系统由于受发射功率、收发距离、电波传播衰落等因素影响，接收机所接收到的信号强弱变化范围很大，接收信号强度的变化范围达几十dB甚至超过100 dB。如果接收机增益不变，则信号太强时，造成接收机的饱和或阻塞，甚至损坏接收机；而信号太弱时，载噪比太低导致无法正常接收。反馈控制是现代系统工程中的一种重要技术手段。系统受到扰动时，通过反馈控制作用，可使系统的某个参数达到所需精度或按照一定的规律变化。自动增益控制AGC(Autt)Gain Control)电路是为解决输出信号不稳定、受外部信号的强弱变化影响而设计的。中频AGC主要用于接收机的解调模拟前端，影响接收机的解调性能，是接收机等通信设备的重要组成部分。

1 AD8367简介
    AD8367型可变增益单端IF放大器使用x-AMP结构，具有良好的增益控制特性。由于片上集成有律方根检波器，可实现单片闭环AGC。该器件带有可控制线性增益的高性能45 dB可变增益放大器，并可在任意低频到500 MHz的频率范围内稳定工作。
    AD8367有以下主要特点：单端输入，输出；输入阻抗为200 Ω，输出阻抗50 Ω；3 dB带宽为500 MHz；输入端零电平时，输出电平为电源电压的一半，且可调；具有增益控制特性选择和功耗关断控制功能；片上集成有律方根检波器，实现单片AGC应用；增益控制特性以dB成线性；可通过外部电容将工作频率扩展到任意低频。图l为AD8367的功能框图。

    该器件主要由可变衰减器、固定增益放大器和平方律检波器组成。输入端可变衰减器的衰减量为45 dB，其中包含了200 Ω的单端梯形电阻网络和高斯内插器。电阻网络由9级每级衰减量为5 dB的衰减网络组成，每级梯形网络对输入信号加以固定分贝数(5 dB的整数倍)的衰减，由高斯内插器选择衰减因子。增益控制电压决定内插器所选择的具体衰减网络，例如当选择第l级时，0 dB衰减节点有效；当选择最后一级时，-45 dB衰减节点有效。当衰减量不是5 dB的整数倍时，在控制电压的作用下，相邻两个衰减节点同时导通，通过离散节点衰减的加权平均值来获得与控制电压相对应的衰减量。通过这种方式可获得平滑、单调的衰减特性，并以dB为单位线性变化。
    AD8367有GAIN UP和GAIN DOWN 2种工作模式。模式选择通过MODE引脚的外加逻辑电平控制。当接高电平时，其增益随控制电压的增加而递增

式中，VGAN的单位为V，其变化单位为50 dB／V(20 mV／dB)。同时因VGAN的最小值为0 V，所以增益的最小值为-5 dB。当增益范围从-2．5 dB变到42．5 dB时，控制电压相应的从50mV变到950 mV。当MODE接地时，增益随电压递减，其计算公式为：

    该工作模式在AGC应用中是需要的。当AD8367的增益大于40 dB的控制范围，工作频率为200 MHz时，可提供优于±0．5 dB的线性误差，而在400 MHz时可提供优于±l dB的线性误差。固定增益放大器用于保证AD8367具有42．5 dB的增益和500 MHz的带宽。它实际上是1个具有100 GHz增益带宽积的运算放大器，因此，当其工作在高频时，仍具有良好的线性度。

2 70 MHz中频AGC设计方案
    这里的70 MHz中频AGC由两级AD8367串联组成，通过合理分配两级VGA的增益比例，AGC匹配良好，合理设计滤波器，设计的70 MHz中频AGC最终达到70 dB动态范围，同时具有优秀的线性增益性能和16 MHz带宽。设计方案框图如图2所示，主要包括AD8367、输入输出衰减、匹配网络、增益补偿、低通带通滤波和环路控制等部分。

2．1工作原理
    AD8367的优秀线性控制性能和45 dB的动态范围非常适合70 MHz中频AGC设计。但一级AD8367显然无法达到70dB动态范围，同时其输入输出阻抗都是200Ω，与该设计方案50 Ω特征阻抗存在阻抗不匹配。另外，其片内集成500 MHz带宽平方律检波器的宽带检波器与该设计方案16 MHz带宽则存在虚假检波。
    该设计方案的输入／输出端口的3 dB起隔离作用，避免对其前级和后级产生影响。80 MHz的低通LC滤波器衰减其二次谐波信号，可避免对该设计的增益产生影响。
    除了两级AD8367是200 Ω特征阻抗外，其他器件特征阻抗都是50 Ω，因此在两级AD8367的输入输出端口都有匹配网络进行阻抗变换，尽量减小其插损。设计采用LC匹配网络，插损单级只有4 dB。
    70 MHz中频AGC的幅频特性主要取决于SAW 70 MHz滤波器。因此，采用带宽16 MHz的SAW 70 MHz滤波器。该滤波器的过渡带陡峭，但其插损很大(达14 dB)，为补偿该滤波器的插损和两级AD8367之间匹配网络带来的插损，在其后串联放大器，放大器增益为18 dB。
调节第2级AD8367后串联的放大器增益，以及整个70MHz中频AGC的输出幅度，从而达到设计需求，放大器后串联的70 MHz LC滤波器可衰减放大器输出的二次谐波信号，保证中频AGC具有良好的选择性。
    通过外置检波器对70 MHz LC滤波器的输出信号进行检波，解决片内存在的虚假检波问题，保证小信号输入时检波可靠。检波器输出与期望的中频AGC输出电平相减产生误差信号。通过环路滤波控制两级AD8367的增益，第l级AD8367的是第2级AD8367增益电压的O．75倍，这样在满足中频AGC 70 dB动态范围的同时，尽量提高其输入信号的二三阶交调点，保证中频AGC具有良好的线性。

    图3为中频AGC的分析模型，其中，x(t)为输入信号强度检波电压，y(t)为输出信号强度检波电压，r(t)为期望输出信号强度检波电压，△(t)为检波电压误差电平，h(t)为环路滤波器的冲激响应，m(t)为增益电平。
使用该模型分析70 MHz中频AGC。从第1级AD8367的输出端口到第2级AD8367的输入端口之间匹配网络和增益补偿放大器的总增益是0 dB。两级AD8367可用1个VGA代替，只是该VGA的控制电压／增益斜率是35 mV／dB。
2．2减法器与环路滤波器设计
    该设计检波输出后的减法器和环路滤波器是通过运算放大器实现，其电路结构如图4所示。图5给出70 dB动态范围的70 MHz中频AGC实现电路。

3 设计中需注意的问题
    1)PCB设计由于PCB的馈电和接地处理均对AGC性能产生重要影响。前者是电源滤波，如果处理不当会影响关键器件，引起自激和较高的杂散电平；后者是指合理安排PCB接地，尽量大面积接地，保证整个PCB等地电位，同时增大接地处理带来的等效电容，提高PCB的抗干扰能力。而且关键元件的布局尽量和信号流向保持一致，避免后级放大信号反馈到前级输入端引起自激。
    2)电路设计 合理设计第l级VGA输出到第2级VGA输入之间整体增益，并等于0，简化电路分析设计，在分析电路时可把两级VGA合并为1个VGA进行分析。

4 测试记录
    AGC检波特性如表1所示，环路各部分增益贡献情况如表2所示。在本设计中，VGA均工作于GAIN UP模式，即增益控制电压在0～1．0V之间，增益随控制电压线性增加。图6为VGA增益曲线。

 结论
    基于上述方法实现的70 MHz中频AGC最终效果是：输入电平在-65～+5 dBm范围内输出电平稳定在-5 dBm，如果信号输入电平小于-65 dBm，则AGC提供60dB的固定增益，且不出现杂散，当输入信号电平小于+3 dBm时，三阶交调抑制达到55 dB。