一种有效的内环AGC电路

吴小林，朱学勇，文光俊

（电子科技大学 通信与信息工程学院 射频集成电路与系统研究中心，四川 成都 611731）

0 引言

自动增益控制技术（Automatic Gain Control，AGC）有数字自动增益控制和模拟自动增益控制两种。相较于模拟AGC电路而言，数字AGC由于采用离散的增益码来控制增益而不会引入额外的噪声，并且具有响应时间快、电路结构简单等优点。故数字AGC电路广泛应用于数字化的发射机和接收机中，其性能好坏对接收机的高质量稳定接收起着至关重要的作用。

1 内环AGC电路

AGC的基本功能是随着发射机或接收机的输入信号的功率自动调整放大器的增益，使输入信号的功率变化时，输出信号功率基本不变[1-2]。

1.1 AGC电路的原理

调谐器的简化结构如图1所示。在系统链路中有3级可编程放大器：LNA（low noise amplifier）、VGCF（vari⁃able gain channel filter）和 PGA（programmable gain ampli⁃fier）。其中，VGCF是由一个低通滤波器（LPF）和一个放大器级联组成的。各级放大器的增益由数字AGC电路提供的数字信号来控制。相比以上放大器，混频器只是提供一个固定的增益。

假设差分输入信号的功率分别为xi(t)和xq(t)，差分输出信号功率分别为yi(t)和yq(t)，LNA，Mixer，VGCF和PGA的增益分别为wLNA(t)，wMIX(t)，wVGCF(t)和wPGA(t)，则

在数字AGC电路中，可变增益放大器的增益是离散的，因此输出功率不能稳定到一点上，而是稳定到一段功率范围内[3]。在本文中，输入信号功率范围为（1.02～116 dBμ），输出信号功率范围稳定在（109～114 dBμ），故整个系统链路可提供高达120 dB的增益。混频器的增益在本文中固定为-9 dB，故只需合理地分配W_LNA，W_VGCF和W_PGA的值，就可满足输入功率和输出功率之间的关系。

1.2 内环AGC电路

采用内环AGC控制方式中，系统链路中的增益大小由调谐器本身控制，不需要外部输入控制信号。由于LNA、VGCF和PGA的增益变化都是由数字控制信号实现的，因此属于数字AGC控制方式。检测LNA的输出信号功率，这部分采用模拟方式实现，即采用功率检测器输出一个检测信号（为直流电平），再对检测信号进行A/D转换产生数字LNA_RSSI信号输出。一旦得到数字化的功率测量值，就可根据测量的输出功率与要求的输出功率之间的关系来控制放大器的增益。具体实现框图如图2所示。

1.3 增益的分配

首先给低噪放LNA，VGCF和PGA分配最小的增益（避免过大增益造成输出信号电平过大，超出后级ADC可以处理的范围），然后等待输入信号的功率发生变化，即启动内环AGC控制。先调节LNA的增益以使在大动态范围内的输入信号的功率所对应的LNA的输出信号的功率在后级VGCF可允许的输入功率范围内，VGCF和PGA的增益也依次进行调整。

在调整系统增益时，首先要根据输入信号的功率范围与要求的输出信号功率范围之间的关系，确定整个系统的增益范围，然后将系统增益按照一定的规则分配到LNA，VGCF和PGA中。各个模块分配多少增益没有严格的依据或限制，而第一级的最高增益要足够大以抑制后面各级的噪声[4]。

针对于输入信号的强度不同，LNA，VGCF和PGA的增益分配如图3所示。

在本文中，LNA，VGCF和PGA输出信号的功率范围或检测窗口定义为如下：LNA的检测窗口为41～121 dBμ；VGCF的检测窗口为72～112 dBμ；PGA的检测窗口为110～114 dBμ。

对内环AGC电路，各级放大器的检测窗口值需通过I2C接口进行初始化，这些初始化值并不需要基带解调芯片写入。

在图3中，各级放大器输出信号的功率均位于前面讨论的检测窗口内。输出信号的功率Pout，也即PGA的输出信号功率PGA_out，稳定在112 dBμ，故增益分配是合理的。

将LNA，VGCF和PGA增益控制码显示在表1中。其中PGA的增益范围为0～40 dB，步进为0.5 dB。AGC控制电路要实现对于0.5 dB步进的控制。

表1 各级放大器的增益控制码对比

2 内环AGC电路的实现

当输入信号的功率范围很大时，若以加1或减1的方式来调整放大器的增益，则需要数以万计的时钟周期来得到正确的增益控制码。因为太多的能量被浪费在这些周期里，如何降低调整时间是个关键的问题[1]。

一个简单的调整方法是按照步长来减少或增强放大器的增益，这意味着放大器的增益在一个调整周期里只改变一个步长。这个过程称为线性搜索算法[1]。

若输出信号的功率小于检测窗口的下限值，则增益控制码加1以增强增益一个步长；若输出信号的功率大于检测窗口的上限值，则增益控制码减1以减少增益一个步长；若输出信号的功率在检测窗口内则增益调整结束。

由于放大器增益不连续，线性算法中需注意的一点是死循环，这种情况发生在检测窗口设置得比增益步长小的时候。例如输出信号的功率略小于检测窗口的下限值，增益步长加1后，输出信号的功率大于检测窗口的上限值。这样增益会反复调整，进入死循环[3]。本设计中，LNA，VGCF和PGA的检测窗口均大于相应的增益调整步长，故有效避免了死循环的问题。

为了快速调整增益，采用一种改进的算法，该算法基于二进制搜索算法[5]。放大器的增益控制码按照从高到低的顺序被排列成一个数组。通过不断地减半搜索区间，在该数组中搜索所需的增益控制码。该算法开始时设最高位为1，其他位设置为0[1]。

当输出信号的功率小于检测窗口的下限值，意味着增益控制码太小，故将搜索间隔减少到高半间隔，即高位保持1，下一位设为1；若输出信号的功率大于检测窗口的下限值，意味着增益控制码太大，故将搜索间隔减少到低半间隔，即高位变为0，下一位设为1。不断循环直到输出信号的功率位于检测窗口内。二分法的优点是：增益的调整时间只与增益控制码的位数相关。因为增益控制码的搜索间隔相比之前减少了一半，故锁定时间大大减小了，最终降低了AGC控制环路的响应时间[3]。

在具体的数字AGC算法中，可以将两种算法结合起来。当输出信号的功率与检测功率相差太多时，用线性算法很耗时，这时采用二分法可以缩短锁定时间。具体实现办法是设定一个阈值，当输出信号的功率与目标功率之差大于阈值时，采用二分法[6]。在本文中，阈值设为LNA的增益步长5 dB所对应的码字101。

因为LNA和VGCF的增益步进较大，故只需采用线性算法。由于PGA步进为0.5 dB，调整范围为0～40 dB，共有81个离散增益值，故需要采用二分法和线性算法的结合。详细的增益调整流程图如图4所示。

3 结果分析

内环AGC电路在ModelSim SE 6.2b中的功能仿真结果如图5和图6所示。图5显示了当输入信号的功率是91 dBμ，并在PGA中分别使用综合算法和线性算法时，收敛速度的比较。最后一行PGA_over是使用线性算法时，增益调整的完成信号。倒数第二行PGA_over_L是使用综合算法时，增益调整完成的信号。可以看到，PGA_over_L比PGA_over延时了14个系统时钟周期。图6显示，输出信号PGA_RSSI稳定在指定的范围之内。

内环AGC电路完成的版图如图7所示。版图的最终面积是：126 μm×106 μm，当供电电压为1.2 V时，平均功耗在3.876 mW左右。

4 结束语

AGC在需要稳定输出信号的无线通信系统中是必需的[4]。本论文介绍了一款应用于移动数字电视调谐芯片中的内环AGC控制电路。该控制电路的最终版图通过了DRC&LVS验证，并达到了时序的收敛，符合设计的要求。

[1]WANG Xiaoman，CHI Baoyong，WANG Zhihua.A low-power highdata-rate ASK if receiver with a digital-control AGC loop[J].IEEE Trans.Circuits Syst.II，2010，57（8）：617–621.

[2]蒋绍勤.CATV系统中的AGC[J].电视技术，1994，18（9）：21-26.

[3]宫志超.射频接收机中自动增益控制及功率检测器设计[D].上海：复旦大学，2009.

[4]ISAAC M G.Automatic gain control（AGC）circuits theory and design[EB/OL].[2011-03-03].http：//www.eecg.toronto.edu/～kphang/papers/2001/martin_AGC.pdf.

[5]AHO A，HOPCROFT J，ULLMAN J.The design and analysis of computer algorithms[M].NJ：Addison-Wesley，1974.

[6]KHOURY J M.On the design of constant settling time AGC circuit[J].IEEE Trans.Circuits and Systems，1998，45（3）：283-294.