宽带大动态AGC电路设计

贺欣

（中国空空导弹研究院 河南 洛阳 471009）

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[1-2]。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：-4 dBm。

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[3]。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[4]。

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。

图1 自动增益控制环路Fig.1 Automatic gain control loop

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，

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。

图2 自动增益控制环路对数域模型Fig.2 Automatic gain control loop logarithm domain model

环路滤波器传输函数为：

图 2中 y（t）可以表示成:

增益控制电压为:

对式（4）两边求导代入式（5）得：

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：

上式代入式（6）后整理为：

时间常数为：

对式（8）进行拉普拉斯变换可以得到自动增益控制环路的频域特性：

式（10）所描述的系统具有高通特性。下面推导系统的直流传输特性，假设输入信号为x（t）=a，输出信号的频谱为：

利用中值定理可以得到最终的输出信号为：

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[5-7]。

图3 自动增益控制环路传输函数频谱Fig.3 Automatic gain control loop transfer function spectrum

图4 自动增益控制环路直流传输特性Fig.4 Automatic gain control loop for DC transmission characteristics

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 ADL5330与AD8318配合在自动增益控制环路中工作Fig.5 ADL5330 work with AD8318 in automatic gain control loop

图1显示在AGC环路中工作的ADL5330[8]。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。

ADL5330 VGA要在AGC环路中工作，必须将输出RF的样本反馈至检波器（通常利用一个定向耦合器并增加衰减处理）。DAC将设定点电压施加于检波器的VSET输入，同时将VOUT与ADL5330的GAIN引脚相连[9]。根据检波器的VOUT与RF输入信号之间明确的线性dB关系，检波器调节GAIN引脚的电压（检波器的VOUT引脚为误差放大器输出），直到RF输入的电平与所施加的设定点电压相对应。GAIN建立至某一值，使得检波器的输入信号电平与设定点电压之间达到适当平衡。

利用一个23 dB的耦合器/衰减器，可以让所需的VGA最大输出功率与AD8318线性工作范围的上限 （900 MHz时约为-5 dBm）相匹配[10]。

检波器的误差放大器利用以地为参考的电容引脚CFLT对误差信号（电流形式）进行积分。必须将一个电容与CFLT相连，用来设置环路带宽，并确保环路稳定性。

AGC环路能够控制接近ADL5330完整60 dB增益控制范围的信号。在通常极为重要的最高功率范围内，其温度性能最精确。在输出功率的最高40 dB范围内，整个温度范围的线性一致性误差在±0.5 dB范围内。 对数放大器所带来的宽带噪声可忽略不计。 为使AGC环路保持均衡，AD8318必须跟踪ADL5330输出信号的包络，并向ADL5330的增益控制输入提供必要的电平。图6所示为图5中AGC环路的示波器屏幕截图。将采用50%AM调制的100 MHz正弦波施加于ADL5330。ADL5330的输出信号为恒定的包络正弦波，其振幅与AD8318的设定点电压1.5 V相对应。图中还显示了AD8318对不断变化的输入包络的增益控制响应。

图6 显示AM调制输入信号的示波器屏幕截图Fig.6 Oscilloscope screen shots of AM modulated input signal

图7显示AGC RF输出对VSET脉冲的响应。当VSET降至1 V时，AGC环路以RF突发脉冲予以响应。响应时间和信号积分量由AD8318 CFLT引脚上的电容控制，这与积分放大器周围的反馈电容类似。电容增加将导致响应速度变慢。

图7 显示ADL5330输出的示波器屏幕截图Fig.7 Oscilloscope screen shots of ADL5330 output

4 结束语

文中采用新型VGA芯片和对数放大器设计并开发了宽带大动态AGC电路模块。在电路设计过程中，采用了一系列优化设计技术，克服了设计过程中的一系列技术难点。经测试，该电路能很好地满足AGC电路的工作带宽、动态范围、线性度等性能参数要求。

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