基于AD8367的大动态范围AGC系统的实现.doc

基于 AD8367 的大动态范围 AGC 系统的实现Large Dynamic Range AGC System Design Based on AD8367国防科技大学 朱群 郑林华摘 要：本文介绍了 AD8367 的芯片特点和工作原理，给出了级联 AD8367 实现大动态范围自动增益控制的两种电路实现形式，并对二者的控制性能做出了比较和分析 关键词：可变增益放大器（VGA）； 自动增益控制（AGC）引言AD8367 是一款具有 45dB 控制范围的高性能可变增益放大器，输入信号从低频到 500MHz 带宽内增益均是以分贝为单位线性变化它适用于雷达、移动通信基站、卫星接收机等通信设备本文将介绍其特点、工作原理，及其在 70dB 大动态范围控制系统中的应用，给出了两种级联控制的电路连接方法并对二者性能做出了比较分析AD8367 芯片介绍AD8367 是基于 AD 公司 X-AMP 结构的可变增益中频放大器，能够实现精确的增益控制，单片控制范围45dB它既能配置应用于外加电压控制的传统的 VGA 模式，同时内部还集成了平方律检波器，因而也可以工作于自动增益控制模式它的引脚图如图 1图 1　 AD8367 引脚及说明（略）AD8367 是通过 0－45dB 可变电压衰减网络加 42.5dB 固定放大器实现线性的增益控制，其内部简化结构如图 2。

图 2　 AD8367 内部简化结构（略）由图 2 可见， AD8367 的可变衰减由 200 电阻梯形网络和跨导控制单元实现电阻网络包含一个增益内插器和 9 个 5dB 衰减选择增益内插器决定增益控制级，例如当第一级衰减有效时，衰减 0dB，当最后一级衰减选中时，衰减 45dB当衰减控制量在两级之间时，则相邻级跨导控制单元立即起作用，产生加权的衰减控制，两者结合产生 0～45dB 任意衰减量经过内部 42.5dB 固放输出就实现了平滑的、以 dB 为单位的线性增益控制模式控制管脚 MODE 决定控制增益随控制电压的变化关系当 MODE 接高电平时，AD8367 工作于GainUp 模式，增益随着外加控制电压 Vgain 的增大而增大（如图 3）理想的增益控制方程如下：Gain（dB）＝50 Vgain（V）－5 (1)方程(1)表明增益控制因子为 50dB/V（20mV/dB），增益轴截距为 5dB（Vgain＝0 时）图 3 同时显示了输入信号频率在 200MHz 以内，增益控制范围>40dB 时，控制波动< 0.5dB当 MODE 接低时，AD8367 工作于 GainDown 模式，控制增益随控制电压的增大而减小（图 3），理想的控制方程为 Gain（dB ）＝45－50 Vgain。

图 3　 AD8367 增益控制曲线图（略）AD8367 实现传统 VGA 功能时，适合于大动态范围增益控制，能充分利用其控制的线性特性，但需要外加控制电压此时既可以工作于 GainUp 模式也可以工作于 GainDown 模式当 AD8367 利用内置平方律检波器实现 AGC 功能时，必须工作于 GainDown 模式此时检波器将输出信号与内置（354mV rms）参考点比较，小于或超过参考点，就分别增大或减小控制增益此时，检波器输出特性与 Vgain 相同，为 20mV/dB，可作为输入信号强度指示（RSSI），因此电路连接上只需将检波器输出脚 DETO 与 Vgain 相连，闭环构成 AGC，连接简单，如图 4 的后级级联实现 AGC 的两种方法当应用中输入信号动态范围在 45dB 以上时，就需要级联 AD8367 以拓宽控制范围下面笔者就以设计的70MHz 中频接收机中，级联两片 AD8367 达到 70dBAGC 控制范围为例，给出两种电路连接方式并对其做出比较利用内置检波器组成 AGC 控制环路级联时，第一级工作于 VGA 方式，第二级应用于 AGC 方式，第二级检波输出作为两级的 Vgain 控制输入。

当输入信号变化时，信号的强度经第二级内部平方律检波后，反馈到两级可变增益控制部分，自动完成增益控制从整体看，实现 AGC 功能这样连接的理由是：如果也将第一级工作于 AGC 方式，而此时第一级输出并不能到达内置参考点，将始终处于增益最大状态，由图 3 可见此时增益控制波动很大；并且这样两级的控制增益不能平均分配，无法充分利用 AD8367 增益控制曲线中间段的良好线性特性而将第二级检波同时控制两级的增益，既实现了AGC 功能，同时也充分利用了 AD8367 增益控制曲线的线性特性电路连接 A 如图 4图 4　 电路连接方式 A（略）工作于 VGA 方式外加检波构成 AGC本连接方式是将两片 AD8367 均工作于 VGA 方式，外加检波电路给出增益控制信号，闭环形成 AGC 功能应用背景：在数字中频接收机前端应用 AD8367 时，AGC 输出经过 ADC 中频采样，数字化后送往 FPGA进行后续中频数字处理前一种连接纯粹用 AD8367 内部检波器直接对 AGC 输出检波，而实际输入中总会有噪声，此时对信号功率的估计误差较大，增益控制也不准确因而笔者在 FPGA 中对 AGC 输出采样后数字量进行检波，这样便于对信号进行滤噪处理和采用更加灵活有效的控制算法，以对 AD8367 做出精确的控制。

因此，本连接方式如下：由 FPGA 采用一定的控制算法，检测 AGC 输出强度，给出相应的数字控制信号，经 DAC 后同时送往两片 AD8367 的 Vgain 控制端，这样实际构成了外加检波的 AGC 控制环路检波输出同时控制两片 AD8367，也有效地利用了其增益控制中间段的良好线性电路连接如图 5图 5　 电路连接方式 B（略）两种连接方式比较控制复杂性比较如果 AGC 输出后续均进行数字化处理，则两种连接方式下， AGC 输出后仍都需经过 ADC 和可编程数字芯片不同的是，连接 B 需多加一片 DAC，输出增益控制信号在控制方法上，连接 A 由于直接利用了内部检波器，所以无需设计控制算法和外加控制连接 B 需要设计控制算法，控制信号需经转换后才能控制AD8367，控制过程相对复杂当应用于纯模拟信号处理场合时，A 方式的电路连接和控制均十分简单注意点由于大部分系统是 50 特性阻抗的，而 AD8367 为 200 输入 50 输出匹配，匹配不当会引起很大的驻波和反射损耗，降低增益控制动态范围，甚至会引起系统自激简单使用电阻网络匹配会带来近 11.5 2＝23db的插入损耗所以，电路连接中均采用了插损小的 LC 网络匹配。

控制性能比较在大信噪比情况下，二者均能得到理想的控制结果，控制精度、控制范围相当由于外加处理，连接 B 的AGC 响应时间相对略长在输入为小载噪比情况下，连接 A 实际上是检测第二级输出信号加噪声的功率，从而给出增益控制信号由于噪声的存在，检波精度下降，尤其在信号本身功率小，噪声带宽又很宽的情况下，AGC 输出信噪比更小，对信号功率估计偏差更大，因而此时对 AGC 的调整不准确另一方面，由于对信号功率估计不准，加之连接 A 的响应时间极快，因而此时 AGC 处于频繁调整之中，输出波动较大连接 B 是将数字化了的 AGC 输出信号送往 FPGA 进行检波，反馈部分的主要功能由数字部分实现，可以使复杂的 AGC 控制通过采用数字信号处理技术较为容易的得到实现，具有快速收敛和精确的稳态响应等优点采用数字信号处理技术可以从算法上提高检波精度：例如将 AGC 输出经窄带滤波后，带内信噪比提高，对信号功率估计将更加准确而且在软件中可以任意改变建立时间和衰落时间，增益控制电压具有保持能力，避免了 AGC 频繁调节引起的波动实验中我们比较了在载噪比 45dBHz，噪声带宽 1MHz 情况下，经窄带滤波后（带宽 4KHz）采用增益控制新算法检波，检波长度 1024 个信号周期，调节信号功率至恒定时，此时 AGC 输出功率波动在 1dB 以内。

结束语第一种电路连接简单，可以方便的应用于噪声较小的场合第二种电路连接控制回路采用 FPGA 实现，响应和收敛速度更快的同时便于采用灵活的控制算法，达到更好的控制性能，该方法已经在一款数字中频接收机中得到应用，取得了理想的控制效果。