基于AD8367的某监测设备自动增益控制模块设计与测试∗

2019-05-07申伯纯王雪宝

舰船电子工程 2019年4期

周进申伯纯王雪宝

（1.海军702厂上海 200434）（2.海军工程大学电子工程学院武汉 430033）

1 引言

无线电信号在传输过程中幅度往往变化较大。无论是无线电接收机，还是电子测量仪器，都需要接收稳定的中频/本振信号，才能够准确测量出接收信号的幅度［1］。其中稳幅控制中最常用、最有效的技术手段就是反馈控制［2～7］。当信号上下波动时，通过反馈控制，系统中的增益变化按照被控信号的变化规律而变化，此类方法被称为自动增益控制（AGC）。

AD8367是一款具有45dB控制范围的高性能可变增益放大器，广泛应用于自动增益控制电路中［8～14］。文献［8］简要阐述了通信系统中常见的自动增益控制技术的发展及现状，对基于AD8367的自动增益控制的特点进行介绍；文献［9］从数学角度分析了基于AD8367的AGC电路，得到了其输入输出关系，以及电路工作于AGC状态时信号幅度的范围；文献［10～11］分别实现工作在不同频点的AGC电路；文献［12～14］研究了通过级联形式实现了超大动态范围的AGC系统。本文基于AD8367完成了某监测设备的AGC模块设计，并通过测试表明其有效性和实用性。

2 AD8367简介［15］

AD8367是一款具有45dB控制范围的高性能可变增益放大器，采用线性增益控制，频率可从低频率到几百兆赫。采用Analog Devices公司的X-AMP结构，具有优异的带内频率响应特性。其主要特点：1）具有宽范围模拟可变增益（-2.5dB～+42.5dB）；2）3dB带宽为500MHz；3）两种增益模式（增大和减小）；4）增益以20mV/dB成线性变化；5）电阻接地参考输入；6）输入阻抗为200Ω；7）完整的线性中频AGC放大器；8）高速数据输入输出端。

图1 AD8367原理框图

AD8367的功能框图如图1所示，该芯片包括四个部分：9级5dB可变衰减器、高斯内插器、固定增益放大器和平方律检波器。前两者相互配合实现总衰减量达45dB可控衰减的功能。高斯内插器选择衰减因子，在控制电压的作用下，通过离散节点衰减的加权平均值来获得与控制电压相对应的衰减量，并以这种方式获得平滑、单调的衰减特性。它在大于40dB的增益控制范围内，工作频率为200MHz时，可提供优于±0.5dB的线性误差。其中高斯内插器选通顺序由管脚4（MODE）控制：

当MODE=1时，增益是正斜率，控制电压VGAIN与增益关系如式（1）所示，斜率是20mV/dB，当增益范围从-2.5dB～+42.5dB变化时，控制电压从50mV～950mV变化。

当MODE=0时，增益是负斜率，控制电压VGAIN与增益关系如式（2）所示，斜率是-20mV/dB，当增益范围从-2.5dB～+42.5dB变化时，控制电压从950mV～50mV变化。

3 某监测设备AGC设计

该监测设备AGC的主要指标要求：LO频率在40MHz～70MHz之间，幅度稳定在0dB，稳定度±0.4dB。

3.1 AGC整体方案设计

无线接收设备中混频器输出幅度稳定度为

式（3）中：ΔP是混频器输出信号的稳定度，ΔPLO是本振幅度稳定度，ΔPRF是输入RF信号的稳定度，ΔI是混频器通路插入损耗不确定值，为常量。

从式（3）可看出：输入的RF信号是被测信号，只有当ΔPLO=0，混频输出信号的电平值才和输入RF信号的电平值保持线性关系。对该设备通过综合考虑，ΔPLO指标取在±0.4dB。

如图2所示为该设备的AGC设计方案原理框图。因为本振信号源采用VCO电路，在40MHz～70MHz频率范围内输出功率波动在±1.5dB范围内，所以采用一级AD8367足以完成此项任务。输入信号首先通过VGA（AD8367）放大器放大，然后经带通滤波器后分为两路信号，其中一路输出作为本振信号用直接送到下一个电路单元使用，另一路送到检波器进行功率检波，将检波出的电压和设定电压进行比较，比较结果送到VGA，控制VGA的增益，达到稳定输出功率的目的。

图2 AGC方案原理框图

3.2 AGC电路设计实现

如图3所示为AGC电路原理图，由（a），（b），（c）三部分组成。图3（a）中，设置AD8367（6U4）的MODE管脚接高电平，则其工作在正斜率模式。从本振信号发生器产生的信号LO_IN，经匹配电路进入输入端。图3（b）中，放大后信号经带通滤波器（6U5）送往二功分器（由电阻6R10、6R11和6R12组成），二功分器将信号分成两路：一路经衰减器（6U7）将信号送到下一个电路单元；另一路送给检波器（6U6）。图3（c）中，检波器输出的电压和设定电压比较，比较单元电路由运算放大器（6U8）为核心组成差分放大器，输出的电压送到6U4的增益控制端（GAIN），控制放大器增益的大小。

信号变化过程如下：当6U4输出功率上升时，二功分输出功率上升，检波器输入功率上升，检波输出电压上升，差分放大器输出电压下降（即增益控制电压下降），6U4增益下降，即输出功率下降；当6U4输出功率下降时，二功分输出功率下降，检波器输入功率下降，检波输出电压下降，差分放大器输出电压上升（即增益控制电压上升），6U4增益上升，即输出功率上升。由此，输出功率稳定在设定值。

图3 监测设备AGC电路原理图

3.3 输入端网络匹配

由AD8367性能指标可知，其输入端阻抗是200Ω，而系统阻抗是50Ω，所以输入端必须进行阻抗匹配设计。考虑到本系统中的频率在70MHz以下，不需要复杂的LC匹配，采用简单的电阻匹配。匹配电阻示意图如图4所示。

图4 输入端匹配电阻计算示意图

从输入端往右看是50Ω，则由式（4）：

计算得：x=66.7Ω。取标准阻值，即原理图中的6XPin。

3.4 检波电路

检波电路采用Linear公司的LTC5507芯片，其检波特性如图5（a）所示，且由图5可得，当输入功率大于0dBm时，检波器的线性较优。在测试时，选择50MHz频点，输入功率选择到0dBm附近，测量检波器输出电压值。如图5（b）所示，检波器输入输出关系在输入功率大于0dBm时呈现较好的线性关系，印证了图5（a）中的检波器特性图。具体数据如表1所示。

图5 检波器测试

3.5 工作点设定

如图3所示，比较器电路由运算放大器构成。将运放6U8设置为差分输入工作模式，工作点设置电压加到运放的同相输入端，检波电压加到运放的反相输入端，6C24、6C25连接成低通滤波器形式，起到平滑输入信号作用。由于6R15=6R16=4R17=4R18，所以放大倍数Av=1。从表1中检波器实测特性可知：检波器在1dBm输入附近时，斜率大约在60mV/dB，因此在差分放大器输出端加两个电阻对输出分压，分压比=3：1，将检波器的斜率调整到20mV/dB左右，和AD8367的斜率基本相同。

表1 检波器输入输出实测数据（50MHz）

设LO2_out处输出1dBm，那么二功分输入端处功率+3.5dBm，滤波器差入损耗-1.5dB，则要求AD8367的输出端功率OUT1=+6dBm。由表1可知检波器在+1dBm输入时输出电压是0.875V。输入信号LO_IN信号大约在-10dBm±1.5左右，那么AD8367的增益要G=+16dB左右，带入式（1）计算得VGAIN=0.42V。

综合上述分析，比较电路的参考点电压V=0.42*3+0.875=2.135V。在调试电路时，将电位器输出电压调整到2.14V左右。

4 AGC电路性能测试

对设计的AGC电路进行性能测试，根据工作点设定部分测试输入功率-12dBm～-8dBm范围的输出结果。图6为相应的AGC输入输出性能测试结果，表2为具体数据。由测试结果可得，输出功率在0.920dBm～1.287dBm之间变化，转化成相应的电压范围为±0.183dB，满足系统提出的±0.4dB要求。如图6所示，输入为线性增加，而输出并未呈现出线性增加。由此可以推断：1）电路中增益随输入变化而变化；2）检波器并非绝对线性；3）比较器输入输出关系并非绝对稳定和线性，如电压纹波影响等，所以比较器要增加合适的滤波等。