基于AD8367的大动态范围AGC系统的实现
国防科技大学 朱群 郑林华
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1AD8367引脚及说明
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2AD8367内部简化结构
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3AD8367增益控制曲线图
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
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
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。
本文摘自《世界电子元器件》
