基于VCA810的大动态范围AGC电路设计

罗有亮，魏连魁，刘 杰

（中国卫星海上测控部 江苏 江阴 214431）

基于VCA810的大动态范围AGC电路设计

罗有亮，魏连魁，刘 杰

（中国卫星海上测控部 江苏 江阴 214431）

在通信系统中，接收机天线感应到的有用信号强度随机变化。为了确保解调器输入端电平恒定或在较小的范围内变化，该文基于德州仪器公司的VCA810芯片设计了具有80 dB动态范围的70 MHz中频大动态自动增益（AGC）电路。试验结果表明：基于VCA810设计的AGC电路控制精度高、范围宽。

大动态范围；反馈控制；自动增益控制（AGC）；VCA810

利用电磁波进行无线通信时，接收机和发射机之间的相对位置通常是不确定的，这使得接收机接收到的信号的强弱变化范围很大。在无线电波的传输过程中，各种遮挡物也使得接收机天线感应到的信号电平强度随机变化［1］。各种因素通常使得接收机接收到有用信号的强度变化范围达到几十dB，极端条件变化范围甚至超过一百dB。当接收信号太弱时，过低的载噪比达不到接收机解调门限，无法正常解调信号；当接收机增益不变时，过强信号极易使得接收机饱和，甚至损坏接收机的硬件电路。为了保证良好的接收效果，要求在接收弱信号时保证有一定的信噪比，而在接收强信号时接收机的前端电路又不产生过大的互调分量等非线性失真，确保解调器输入端的电平幅度保持恒定或在较小的范围内变化。基于负反馈原理的自动增益控制电路通常位于接收机的解调器前端，为的就是保证解调器有着较好的解调性能［2-3］。

1 系统设计方案

1.1 VCA810简介

VCA810是德州仪器（TI）的一款宽带、具有低失调电压的、连续可变电压控制增益放大器，能够提供差分输入单端输出，出色的共模抑制和两个高阻抗输入的共模输入范围允许VCA810提供一个增益调节差分接收器的操作。输出信号是相对于地面。零差分输入电压提供了一个带有小的直流偏移误差0 V输出。低输入噪声电压，确保在最高增益设置好输出信噪比。

而此款芯片的突出优点是VCA810芯片能够实现-40 dB 到40 dB的线性增益控制，增益控制准确度±1.5 dB，±5 V电源供电时增益控制电压从0 V变化到-2 V时，增益从-40 dB线性地变化到+40 dB，具有35 MHz稳定的增益带宽。

图1 VCA810芯片模块图Fig.1 Block diagram of VCA810

1.2 自动增益控制（AGC）原理

图2 反馈型AGC结构方框图Fig.2 Feedback AGC schematic diagram

2 AGC设计与实现

基于VCA810芯片的大动态自动增益控制电路模块框图如图3所示［4-8］。

图3 基于VCA810芯片自动增益控制电路模块框图Fig.3 Automatic gain control circuit module based on the VCA 810

2.1 VCA810程控放大器电路设计

基于VCA810芯片的大动态自动增益控制电路主要由两块芯片构成，VCA810程控放大电路和OPA820高速缓冲电路。输入输出部分设置了3个SMA射频接口。同时，每一级都配有短路套接口，方便调试以及选择需要的电路连接方式。

图4 VCA810程控放大器电路Fig.4 Circuit of VCA810 Programmable Amplifier

图5 OPA820高速放大电路Fig.5 OPA810 high speed amplification circuit

VCA810程控放大模块电路默认设置了50 Ω阻抗匹配，输入端并联50 Ω到地，输出可选串联或者并联510 Ω负载到地，50阻值永两个100 Ω电阻并联得到；OPA820放大器可以避免程控放大器在设置大增益的时候出现的震荡问题，同时OPA820芯片可以根据实际需要来设计放大器增益，OPA820芯片默认匹配了50 Ω阻抗，输入端并联50 Ω到地，输出可选择串联50 Ω或者病连0 Ω负载到地，放大器连接方式为同相输入比例放大，其增益值由电阻R18和R17来决定，本电路默认设置放大倍数为2倍。

本模块中另添加了一个直流偏移电路，通过J2短路套选择，调节RW1电位器可设置直流偏移电压值，电位器的电压极限时电源电压VCC和VSS，即±5 V，设电位器控制电压为Va，则：

当需要更大的直流偏移电压值时，可跟换电阻R4和R24的阻值。

2.2 增益控制电路设计

各组锁骨下动脉狭窄患者盗血程度的比较见表2。合并椎动脉狭窄性病变组各亚组间（同侧椎动脉狭窄性病变组、对侧椎动脉狭窄性病变组、双侧椎动脉狭窄性病变组）盗血程度的两两比较均无统计学意义（P＞0.05）。而合并椎动脉狭窄性病变组及各亚组分别与对照组比较，Ⅱ期与Ⅲ期盗血所占比例均明显低于对照组（P＜0.05）。

为了方便电路增益的设置，模块设置了两种控制方式，手动和自动。具体电路如下所示。由于VCA810芯片的有效增益控制范围为-2～0 V，手动方式中电位器RW2的电压极限是电源电压VSS和零电位，即为-5 V和0 V，设电位器控制电压为，则

自动控制方式中，为了配合单片机数模转换器只能输出正电压值的缺点设计一个反向放大电路，VCA810最终的控制电压值通过运算放大器OP07计算得到。OP07连接方式为反向输入、1倍放大，测试所选数字模拟转换器输出电压为0～2.43 V。

取R1=R5=10 kΩ，R8=4.7 kΩ，则偏移电压值VDA为：

最后VDA的电压值通过一阶RC（R6和C1）低通滤波后连接VCA810芯片的增益控制引脚。

VAC810芯片在 35M带宽下的增益控制范围为-40～40 dB，在本模块中为了使电路匹配50 Ω阻抗，在VCA810芯片和OPA820之间衰减了2倍，但OPA820放大器设置了放大倍数为2，所以理论上本模块总增益控制范围为-40～40 dB。

2.3 模块主要特性

本文基于VCA810芯片的自动增益控制模块主要特性如下：

1）整板：采用主程控放大器和运算放大器级联方式，运算放大器可以定制放大倍数；默认参数如下：-3 dB截止频率为34 MHz，通带内增益起伏很小，对1 kHz～10 MHz的输入信号纹波不超过1dB，输入输出阻抗为50 Ω；输入信号范围20 mVpp～1.5 Vpp；输出信号范围大于10 mVpp，由放大器放大倍数决定，VCA810芯片输出信号10 mVpp～2.5 Vpp。

2）放大器采用高速、宽带、运放芯片OPA820，放大倍数默认为2倍。

3）增益控制：手动电位器调节或自动数模转换器控制，控制电压范围-2 V～0 V；线性增益控制范围为-38 dB～40 dB。

4）模块可选择是否假如直流偏置。

5）模块采用±5 V供电。

3 系统测试

模块测试数据以图表的方式体现，主要显示模块的幅频特性曲线。该部分所有测试条件均在增益控制为手动、信号波形无明显失真，并且在示波器使用交流耦合的情况下测试得到的数据图。为了和模块50 Ω的输入阻抗相匹配，信号源的输出负载需要设置为50 Ω。

3.1 VCA810模块放大幅频特性

测试条件：S1接信号输入，S2接信号输出；短路套接J11 的 2、3两脚插针，选择手动增益控制方式；信号频率范围1 KHz～80 MHz，固定增益40 dB得到图6。

从数据图可以看出增益设置40 dB之后，带宽有所下降，-3 dB截止频率约为30 MHz附近。

图6 VCA810幅频特性曲线（G=40）Fig.6 Amplitude-frequency Curve of VCA810（G=40）

3.2 VCA810模块衰减幅频特性

测试条件：S1接信号输入，S2接信号输出；短路套接J11 的2、3两脚插针，选择手动增益方式；信号频率范围1 kHz～80 MHz，固定增益-20 dB得到如图7所示。

图7 VCA810幅频特性曲线（G=-20）Fig.7 Amplitude-frequency Curve of VCA810（G=-20）

从数据图可以看出大信号输入时VCA810与小信号输入时的带宽差别不大，在2 MHz带宽内非常平坦，-3 dB截止频率在31 MHz附近。

4 结 论

自动控制增益电路是无线通信领域中用于接收机中的重要电路。该文对自动控制增益电路的基本原理进行了简要分析，基于VCA810芯片且采用主程控放大器和运算放大器级联方式，设计了70 MHz大动态自动增益控制电路，运算放大器额可以定制放大倍数。理论上本模块总增益控制范围为-40～40 dB，实际上线性增益范围测试结果是-38～40 dB。-3 dB截止频率为34 MHz，带通内增益起伏较小，对1 kHz～10 MHz的输入信号纹波不超过1 dB。实验结果表明基于 VCA810芯片设计的自动增益控制（AGC）模块具有较好的性能，相应电路已应用于具体项目中，取得了良好的效果。

［1］陈邦媛.射频通信电路［M］.北京：科学出版社，2006.

［2］张立志.自动增益控制环路方程的一种简化处理方法及环路稳定时间分析［J］.通讯学报，2005（1）:94-97.

［3］曹鹏.大动态宽带数字中频AGC系统的设计［J］.北京理工大学学报，2003（5）:613-616.

［4］刘飞.解建伟基于AD8368芯片的压控增益放大系统设计分析［J］.无线电技术，2012（4）:47-50.

［5］李涛.基于AD8367的大动态范围AGC系统设计［J］.电子设计工程，2010（6）:55-57.

［6］张星.周克生.基于AD8367的压控增益放大系统设计［J］.世界电子无器件，2007（1）:45-47.

［7］王中文.孙延辉.无线通讯领域中自动增益控制电路的研究［J］.辽宁大学党报：自然科学版，2007（34）:15-17.

［8］崔嵬，吴嗣亮.一种新的数字接收机AGC电路［J］.电子与信息学报，2008，30（8）:2005-2009.

Large dynamic range AGC system design based on VCA810 China satellite maritime tracking and control department

LUO You-liang，WEI Lian-kui，LIU Jie
（China Satellite Maritime Tracking&Control Department，Jiangyin 214431，China）

In communication systems，the receiving antenna is sensitive to the intensity of the useful signal which changes randomly.In order to ensure amplitude stability of the received signal，the design method of AGC with 70 MHz intermediate frequency and 80 dB dynamic range using a chip VCA810 which is designed by Texas Instruments Company.The test results show that:this AGC processes with the excellence of high precision control and board range.

large dynamic range；feedback control；automatic gain control；VCA810

TN850.3

A

1674－6236（2016）04-0105-03

2015-03-31 稿件编号：201503476

罗有亮（1986—），男，江苏南京人，硕士。研究方向：航天测控、计算机测控。