一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性能優(yōu)良的AGC電路

短波數(shù)字通信系統(tǒng)中接收機(jī)的AGC電路采用AD603可變?cè)鲆娣糯笃鹘Y(jié)合簡(jiǎn)單的AGC控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有較高的增益，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)70dB，頻帶寬度為90MHz，且電路結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單。

短波接收機(jī)在接收信號(hào)時(shí)，由于電離層的變化、衰落和接收信號(hào)條件等不同，其輸入端信號(hào)電平在很大范圍內(nèi)變化。而接收機(jī)的輸出功率是隨外來(lái)信號(hào)的大小而變化的，接收機(jī)的輸出端會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)弱非常懸殊的信號(hào)功率。為此，短波接收機(jī)中非常強(qiáng)調(diào)自動(dòng)增益控制(AGC)電路。AGC電路是一種在輸入信號(hào)幅度變化很大的情況下，使輸出信號(hào)幅度保持恒定或僅在較小范圍內(nèi)變化的自動(dòng)控制電路。AGC的基本原理是產(chǎn)生一個(gè)隨輸入電平而變化的直流AGC電壓，利用AGC電壓去控制某些放大部件(如中放)的增益，使接收機(jī)總增益按照一定規(guī)律而變化。AGC電路主要由控制電路和被控電路兩部分組成?？刂齐娐肪褪茿GC直流電壓的產(chǎn)生部分，被控電路的功能是按照控制電路所產(chǎn)生的變化著的控制電壓來(lái)改變接收機(jī)的增益。

目前，在短波接收機(jī)中放大器增益的控制方法主要有兩種。一種是改變放大器本身的參數(shù)，使增益發(fā)生變化，典型的是采用雙柵場(chǎng)效應(yīng)管，通過(guò)改變其中某一柵的直流偏置電壓使增益發(fā)生變化；另一種是在放大器級(jí)間插入可變衰減器，控制衰減量，使增益發(fā)生變化，典型的是各種集成的可變?cè)鲆娣糯笃?，本文討論的AGC電路就是采用ADI公司的AD603可變?cè)鲆娣糯笃鹘Y(jié)合簡(jiǎn)單的AGC控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。要求增益大于50dB，AGC動(dòng)態(tài)范圍大于65dB，輸出信號(hào)電平基本穩(wěn)定在-10dBm。

AD603工作原理

表1：AD603引腳功能

AD603是低噪、90MHz帶寬增益可調(diào)的集成運(yùn)放，如增益用分貝表示，則增益與控制電壓成線性關(guān)系。管腳間的連接方式?jīng)Q定了可編程的增益范圍，增益在-11～+30dB時(shí)的帶寬為90MHz，增益在+9～+41dB時(shí)具有9MHz帶寬，改變管腳間的連接電阻，可使增益處在上述范圍內(nèi)。該集成電路可應(yīng)用于射頻自動(dòng)增益放大器、視頻增益控制、A/D轉(zhuǎn)換量程擴(kuò)展和信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，簡(jiǎn)化原理框圖如圖1所示。

圖1：AD603的原理框圖

AD603由無(wú)源輸入衰減器、增益控制界面和固定增益放大器三部分組成。圖中加在梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端(VINP)的信號(hào)經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的電壓決定。增益的調(diào)整與其自身電壓值無(wú)關(guān)，而僅與其差值VG有關(guān)，由于控制電壓GPOS/GNEG端的輸入電阻高達(dá)50MΩ，因而輸入電流很小，致使片內(nèi)控制電路對(duì)提供增益控制電壓的外電路影響減小。以上特點(diǎn)很適合構(gòu)成程控增益放大器。圖1中的“滑動(dòng)臂”從左到右是可以連接移動(dòng)的。當(dāng)VOUT和FDBK兩管腳的連接不同時(shí)，其放大器的增益范圍也不一樣。

當(dāng)腳5和腳7短接時(shí)，AD603的增益為40Vg+10，這時(shí)的增益范圍在 -10～30dB，本文的設(shè)計(jì)就是這樣應(yīng)用的。當(dāng)腳5和腳7斷開(kāi)時(shí)，其增益為40Vg+30，這時(shí)的增益范圍為10～50dB。如果在5腳和7腳接上電阻，其增益范圍將處于上述兩者之間。

AGC電路工作原理及增益的分配和計(jì)算

● AGC電路工作原理

選用AD603作為主放大器，兩片AD603采用順序級(jí)聯(lián)形式，充分發(fā)揮每一片AD603的增益控制功能。AGC檢波由9018完成，9018同時(shí)送出AGC控制電壓。完整的放大器及AGC電路如圖2所示。

經(jīng)兩級(jí)AD603放大的信號(hào)，一路由J2送入下一級(jí)信號(hào)通道，另一路則由C10輸入到9018用于AGC檢波。9018的發(fā)射極PN結(jié)完成AGC檢波，并由集電極經(jīng)電容CAGC濾波后送出AGC控制電壓VAGC。

輸入信號(hào)增大時(shí)，9018的基極瞬時(shí)電流也增大，相應(yīng)的集電極電流也跟著增大，從而R7兩端的瞬時(shí)壓降也增大，則集電極瞬時(shí)電壓減小，經(jīng)濾波后得到的VAGC也相應(yīng)減小；同樣，輸入信號(hào)減小時(shí)，VAGC則會(huì)增大，即VAGC與輸入信號(hào)的強(qiáng)度成反比，符合AGC電壓反向控制要求。

AD603的2腳對(duì)地壓降固定，1腳對(duì)地壓降即為VAGC，從而1、2腳的電壓差V12受VAGC的控制。AD603的增益可表示為：G=40V12+10。由此可見(jiàn)，隨著VAGC的增加，V12也增加，則AD603的增益變大；相反，若VAGC減小，V12也減小，則AD603的增益變小，從而使兩級(jí)AD603的輸出恒定在某個(gè)信號(hào)強(qiáng)度上。AGC時(shí)間常數(shù)的調(diào)整可以通過(guò)改變CAGC的容值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

● AGC增益的分配和計(jì)算

兩片AD603采用順序級(jí)聯(lián)模式有利于控制精度和信噪比的提高。而順序級(jí)聯(lián)模式要求在放大信號(hào)時(shí)先啟用第一片AD603的增益，用盡后再用第二片的增益。由AD603的增益計(jì)算公式可知，當(dāng)V12在-500～500mV之間時(shí)，其增益在-10～30dB范圍內(nèi)變化，則兩片AD603的V12之間應(yīng)有1V的電壓差，反應(yīng)在圖2中，即兩片AD603的2腳之間有1V的壓降。

圖2：放大器及AGC電路

根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)留有一定的余量。將第一片AD603的增益范圍定為 -6～30dB，則相應(yīng)的V12為-400～500mV，而其2腳已固定在5.5V，故1腳的控制電壓即VAGC應(yīng)為5.1～6V。第二片AD603的增益范圍定為-10～24dB，則相應(yīng)的V12為-500～350mV，而其2腳已固定在6.5V，故1腳的控制電壓即VAGC應(yīng)為6～6.85V，兩片順序級(jí)聯(lián)后的總增益范圍為-16～54dB，如圖3所示。

圖3：AGC增益分配情況

由以上分析可知，當(dāng)AGC控制電壓VAGC從5.1V到6.85V變化時(shí)，兩級(jí)AD603的總增益將從-16dB到54dB線性增加。現(xiàn)在需要做的是調(diào)整9018的工作點(diǎn)，使得當(dāng)輸入信號(hào)適當(dāng)變化時(shí)，能夠從9018的集電極取出從5.1V到6.85V變化的AGC控制電壓VAGC。由圖2可以看出，VAGC的大小取決于R7的阻值和集電極電流的大小。

在無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，調(diào)整9018的靜態(tài)工作點(diǎn)，使9018發(fā)射極的PN結(jié)處于近似截止?fàn)顟B(tài)，并調(diào)整R7的阻值使得VAGC為6.85V，此時(shí)兩級(jí)AD603的增益全部放開(kāi)，即54dB；當(dāng)有信號(hào)輸入，但其信號(hào)強(qiáng)度尚不能使9018發(fā)射極的PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)，AGC處于失控狀態(tài)，輸出信號(hào)將隨著輸入信號(hào)強(qiáng)度的增大而增大；當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度足以使9018發(fā)射極的PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)，9018處于AGC檢波狀態(tài)，此時(shí)AGC開(kāi)始起控，VAGC大約以25mV/dB的速率下降，直至下降到5.1V。對(duì)應(yīng)的兩級(jí)AD603的增益也開(kāi)始逐漸從54dB下降到-16dB，先是第二級(jí)AD603的增益逐漸從24dB下降到-10dB，然后第一級(jí)AD603的增益也開(kāi)始逐漸從30dB下降到-6dB。此時(shí)，AGC進(jìn)入飽和點(diǎn)，輸入信號(hào)強(qiáng)度再增大時(shí)，AGC已失去控制作用，輸出信號(hào)又將隨著輸入信號(hào)強(qiáng)度的增大而增大。這就是AGC的整個(gè)控制過(guò)程，即隨著輸入信號(hào)強(qiáng)度的不斷增大，AGC將歷經(jīng)失控、開(kāi)始起控、進(jìn)入飽和、再次失控的控制過(guò)程。

● AGC起控點(diǎn)與飽和點(diǎn)的選取和計(jì)算

AGC起控點(diǎn)與飽和點(diǎn)的選取應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)計(jì)算。假設(shè)要求信號(hào)經(jīng)AGC放大后，其信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定在W(dBm)，AGC增益范圍為Ga～Gb(dB)，則AGC起控點(diǎn)電平(dBm)為W-Gb；AGC飽和點(diǎn)電平(dBm)為W-Ga。在應(yīng)用中，要求信號(hào)經(jīng)兩級(jí)AD603的放大后，其信號(hào)強(qiáng)度基本穩(wěn)定在-10dBm，而AGC增益范圍為-16～54dB，因此AGC起控點(diǎn)電平應(yīng)為-10-54=-64(dBm)；AGC飽和點(diǎn)電平應(yīng)為-10-(-16)=6(dBm)。故此AGC所能處理的信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為-64～6dBm，共70dB。

AGC起控點(diǎn)的調(diào)整可通過(guò)改變R5的阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，改變R5的阻值也就是調(diào)整9018發(fā)射極的PN結(jié)壓降。此PN結(jié)用于AGC檢波時(shí)，其壓降大約被偏置在500～700mV之間。假設(shè)在工作過(guò)程中此PN結(jié)的瞬時(shí)壓降為600mV時(shí)，AGC開(kāi)始起控，又假設(shè)要求的AGC起控點(diǎn)電平為-30dBm(20mV)，那么，可以通過(guò)調(diào)整R5的阻值使得此PN結(jié)被偏置在580mV，則當(dāng)輸入信號(hào)電平達(dá)到20mV時(shí)，此PN結(jié)的瞬時(shí)壓降為600mV，AGC開(kāi)始起控。以上只是定性的近似分析，在實(shí)際電路的實(shí)現(xiàn)中，要根據(jù)測(cè)量結(jié)果，反復(fù)調(diào)整R5的阻值，才能滿足AGC起控點(diǎn)的要求。當(dāng)然，AGC起控點(diǎn)有一個(gè)下限。就圖2所示AGC控制電路來(lái)講，其AGC控制下限取決于9018發(fā)射極PN結(jié)壓降的調(diào)整精度，經(jīng)實(shí)際測(cè)量，此值大約在100μV(-76dBm)左右。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4：AGC測(cè)試框圖

將整個(gè)電路按圖4所示連接進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整HP-8920A的可變衰減器來(lái)改變輸入信號(hào)強(qiáng)度的大小，輸出信號(hào)強(qiáng)度由HP-E4405B觀測(cè)，同時(shí)，通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)試VAGC的電壓值，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2：AGC測(cè)試數(shù)據(jù)

由表2的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，輸入信號(hào)強(qiáng)度從-64dBm到6dBm變化時(shí)，AGC控制電路能夠相應(yīng)地調(diào)節(jié)AGC控制電壓VAGC的大小，從而改變AD603的增益，使其輸出信號(hào)強(qiáng)度基本穩(wěn)定在-10dBm，整個(gè)控制范圍在70dB以上，滿足設(shè)計(jì)要求。