新能优良结构简单的AGC电路设计

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描述

  目前,在短波接收机中放大器增益的控制方法主要有两种。一种是改变放大器本身的参数,使增益发生变化,典型的是采用双栅场效应管,通过改变其中某一栅的直流偏置电压使增益发生变化;另一种是在放大器级间插入可变衰减器,控制衰减量,使增益发生变化,典型的是各种集成的可变增益放大器,本文讨论的AGC电路就是采用ADI公司的AD603可变增益放大器结合简单的AGC控制电路来实现的。要求增益大于50dB,AGC动态范围大于65dB,输出信号电平基本稳定在-10dBm。

  AD603工作原理

  AD603是低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放,如增益用分贝表示,则增益与控制电压成线性关系。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围,增益在-11~+30dB时的带宽为90MHz,增益在+9~+41dB时具有9MHz带宽,改变管脚间的连接电阻,可使增益处在上述范围内。该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统,简化原理框图如图1所示。

  AD603

  AD603引脚图及引脚功能

  AD603

  AD603

  表1:AD603引脚功能

  AD603由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。图中加在梯型网络输入端(VINP)的信号经衰减后,由固定增益放大器输出,衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关,而仅与其差值VG有关,由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50MΩ,因而输入电流很小,致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。以上特点很适合构成程控增益放大器。图1中的“滑动臂”从左到右是可以连接移动的。当VOUT和FDBK两管脚的连接不同时,其放大器的增益范围也不一样。

  当脚5和脚7短接时,AD603的增益为40Vg+10,这时的增益范围在 -10~30dB,本文的设计就是这样应用的。当脚5和脚7断开时,其增益为40Vg+30,这时的增益范围为10~50dB。如果在5脚和7脚接上电阻,其增益范围将处于上述两者之间。

  AGC电路工作原理及增益的分配和计算

  ● AGC电路工作原理

  选用AD603作为主放大器,两片AD603采用顺序级联形式,充分发挥每一片AD603的增益控制功能。AGC检波由9018完成,9018同时送出AGC控制电压。完整的放大器及AGC电路如图2所示。

  AD603

  经两级AD603放大的信号,一路由J2送入下一级信号通道,另一路则由C10输入到9018用于AGC检波。9018的发射极PN结完成AGC检波,并由集电极经电容CAGC滤波后送出AGC控制电压VAGC。

  输入信号增大时,9018的基极瞬时电流也增大,相应的集电极电流也跟着增大,从而R7两端的瞬时压降也增大,则集电极瞬时电压减小,经滤波后得到的VAGC也相应减小;同样,输入信号减小时,VAGC则会增大,即VAGC与输入信号的强度成反比,符合AGC电压反向控制要求。

  AD603的2脚对地压降固定,1脚对地压降即为VAGC,从而1、2脚的电压差V12受VAGC的控制。AD603的增益可表示为:

  G=40·V12+10。由此可见,随着VAGC的增加,V12也增加,则AD603的增益变大;相反,若VAGC减小,V12也减小,则AD603的增益变小,从而使两级AD603的输出恒定在某个信号强度上。AGC时间常数的调整可以通过改变CAGC的容值来实现。

  ● AGC增益的分配和计算

  两片AD603采用顺序级联模式有利于控制精度和信噪比的提高。而顺序级联模式要求在放大信号时先启用第一片AD603的增益,用尽后再用第二片的增益。由AD603的增益计算公式可知,当V12在-500~500mV之间时,其增益在-10~30dB范围内变化,则两片AD603的V12之间应有1V的电压差,反应在图2中,即两片AD603的2脚之间有1V的压降。

  根据实际设计应留有一定的余量。将第一片AD603的增益范围定为 -6~30dB,则相应的V12为-400~500mV,而其2脚已固定在5.5V,故1脚的控制电压即VAGC应为5.1~6V。第二片AD603的增益范围定为-10~24dB,则相应的V12为-500~350mV,而其2脚已固定在6.5V,故1脚的控制电压即VAGC应为6~6.85V,两片顺序级联后的总增益范围为-16~54dB,如图3所示。

  AD603

  由以上分析可知,当AGC控制电压VAGC从5.1V到6.85V变化时,两级AD603的总增益将从-16dB到54dB线性增加。现在需要做的是调整9018的工作点,使得当输入信号适当变化时,能够从9018的集电极取出从5.1V到6.85V变化的AGC控制电压VAGC。由图2可以看出,VAGC的大小取决于R7的阻值和集电极电流的大小。

  在无信号输入时,调整9018的静态工作点,使9018发射极的PN结处于近似截止状态,并调整R7的阻值使得VAGC为6.85V,此时两级AD603的增益全部放开,即54dB;当有信号输入,但其信号强度尚不能使9018发射极的PN结导通时,AGC处于失控状态,输出信号将随着输入信号强度的增大而增大;当信号强度足以使9018发射极的PN结导通时,9018处于AGC检波状态,此时AGC开始起控,VAGC大约以25mV/dB的速率下降,直至下降到5.1V。对应的两级AD603的增益也开始逐渐从54dB下降到-16dB,先是第二级AD603的增益逐渐从24dB下降到-10dB,然后第一级AD603的增益也开始逐渐从30dB下降到-6dB。此时,AGC进入饱和点,输入信号强度再增大时,AGC已失去控制作用,输出信号又将随着输入信号强度的增大而增大。这就是AGC的整个控制过程,即随着输入信号强度的不断增大,AGC将历经失控、开始起控、进入饱和、再次失控的控制过程。

  ● AGC起控点与饱和点的选取和计算

  AGC起控点与饱和点的选取应根据具体的应用来计算。假设要求信号经AGC放大后,其信号强度稳定在W(dBm),AGC增益范围为Ga~Gb(dB),则AGC起控点电平(dBm)为W-Gb;AGC饱和点电平(dBm)为W-Ga。在应用中,要求信号经两级AD603的放大后,其信号强度基本稳定在-10dBm,而AGC增益范围为-16~54dB,因此AGC起控点电平应为-10-54=-64(dBm);AGC饱和点电平应为-10-(-16)=6(dBm)。故此AGC所能处理的信号的动态范围为-64~6dBm,共70dB。

  AGC起控点的调整可通过改变R5的阻值来实现。事实上,改变R5的阻值也就是调整9018发射极的PN结压降。此PN结用于AGC检波时,其压降大约被偏置在500~700mV之间。假设在工作过程中此PN结的瞬时压降为600mV时,AGC开始起控,又假设要求的AGC起控点电平为-30dBm(20mV),那么,可以通过调整R5的阻值使得此PN结被偏置在580mV,则当输入信号电平达到20mV时,此PN结的瞬时压降为600mV,AGC开始起控。以上只是定性的近似分析,在实际电路的实现中,要根据测量结果,反复调整R5的阻值,才能满足AGC起控点的要求。当然,AGC起控点有一个下限。就图2所示AGC控制电路来讲,其AGC控制下限取决于9018发射极PN结压降的调整精度,经实际测量,此值大约在100μV(-76dBm)左右。

  实验数据

  将整个电路按图4所示连接进行闭环测试。在测试过程中,通过调整HP-8920A的可变衰减器来改变输入信号强度的大小,输出信号强度由HP-E4405B观测,同时,通过万用表测试VAGC的电压值,测试数据如表2所示。

  AD603

  AD603

  由表2的测试数据可以看出,输入信号强度从-64dBm到6dBm变化时,AGC控制电路能够相应地调节AGC控制电压VAGC的大小,从而改变AD603的增益,使其输出信号强度基本稳定在-10dBm,整个控制范围在70dB以上,满足设计要求。

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