基于AD8332 的可控增益放大器设计与实现

孙连昊，王 亮，石建飞

（中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）

1 引言

多波束成像声呐属于高频小目标探测声呐系列，设计采用主动声呐工作原理对水下场景进行成像。多波束成像声呐中发射换能器发射信号强度一定，不同距离的目标反射信号强度不同，因此接收换能器接收声学信号强度不相同。当目标较近时，目标反射强度很强，接收信号经电路放大后会发生饱和失真，影响信号质量而对目标识别造成影响；当目标较远时，目标反射强度很弱，弱信号经电路放大后可能由于放大量不能达到信号检测阈而造成检测漏报。因此，根据目标距离选择合适的放大倍数，对多波束成像声呐来说尤为重要。

为了解决不同距离回波信号幅度不一致的问题，加入可控增益控制功能来调整信号幅度。通过计算可以通过信号随时间TVG 曲线和储存次曲线值的变化来控制DA 输出模拟电压以控制信号增益。探测的距离指标为1.5～100.0 m，于是计算得到接收阵输出信号在8.8 μV～60 mV。一般情况下，5 V 供电差分AD 输入电压达到四分之三满幅的范围是谐波杂散最小的位置，通过增益控制使到AD 前端的信号达到峰峰2 V。为了把信号调整到峰峰2 V 以满足整体30～108 dB 的增益范围，选择AD8332 包括2 个-6.5～43.5 dB的VGA。两级级联可以实现-9～87 dB 的增益控制，加上前端阻抗匹配变压器和仪表放大器放大倍数，可以实现增益控制范围稍大于需要的范围。

2 AD8332 的特性及原理

AD8332 是一款低噪声两通道VGA 芯片，功能框图如图1 所示。每个通道包括LNA、PAMP 以及VGA，控制电压0～1 V，输出电压单端峰峰值2.25 V，差分输出电压4.5 V。LNA 为单端输入差分输出19 dB 的固定增益放大器。VGA 内置一个48 dB范围的衰减器，后接一个21 dB 增益的放大器，因而净增益范围为-27～+21 dB。X-AMP 增益内插法会形成低增益误差和均衡带宽，且差分信号路径将失真降至最低。最后一级是一个增益为3.5 dB或15.5 dB 的逻辑可编程放大器［1］。

VGA 的增益通过模拟控制电压来控制。线性dB 增益控制接口针对斜率和绝对精度进行调整。增益控制接口的斜率为50 dB/V，增益控制范围为40 mV～1 V，增益极差为+48 dB。在LO 模式下，增益表达式为GAIN(dB)=50(dB/V)×VGAIN-6.5 dB，增益范围-4.5～43.5 dB；在HI 模式下，增益表达式为GAIN(dB)=50(dB/V)×VGAIN+5.5 dB，增益范围+7.5～+55.5 dB。理想增益特性曲线，如图2 所示。

3 AD8332 电路设计

利用AD8332 芯片设计可控增益放大电路时，需要从以下几个方面进行考虑。

（1）LMD 引脚必须利用2.2 nF～0.1 μF 的电容进行容性耦合旁路到地。

（2）数据手册中给出LNA 的未端接输入阻抗为6 kΩ，因此可以合成50 Ω～6 kΩ 的任何输入电阻。根据RIZ=33×RIN/(6-RIN)，计算RIZ，单位为kΩ，或从表1 中选择［2］。使用有源输入端接时，需要通过一个去耦电容CIS隔离LNA 的输入和输出偏置电压。

两路可变增益放大器输入端分别为仪表放大器和滤波器输出端，仪表放大器和滤波器输出电阻很小约为50 Ω，因此根据表1 选择RIZ为280 Ω，CSH为22 pF。

表1 针对共源阻抗的LNA 外部器件值

（3）两通道增益放大器共用一个GAIN 增益控制控制引脚，为确保增益放大量稳定，应保证此引脚输入噪声。

（4）增益斜率根据MODE 引脚高低电平选择。当MODE 引脚为高时，增益斜率为负；MODE 引脚为低时，增益斜率为正。设计中选择MODE 引脚接地，增益斜率为正且随着GAIN 引脚接入电压的增加而增大。

（5）HILO 引脚控制可控增益放大器工作模式。当HILO 为高时，放大器工作在HI 模式，最后一级增益为15.5 dB；当HILO 为低时，放大器工作在LO 模式，最后一级增益为3.5 dB。设计中选择HILO 引脚接地，可控增益放大器总增益变化范围为-13～87 dB。

综上所述，设计可控增益放大电路如图3 所示。

4 可控增益电路测试

（1）增益控制引脚GAIN 接入0.1 V 电平，使用信号源输入Vpp=900 mV、频率为450 kHz 的标准正弦信号，如图4 所示。

用示波器测量输出端信号，如图5 所示。可以看出，输出信号频率为450.4 kHz，与输入信号频率基本一致。读出单端信号Vpp=378 mV。由于可控增益芯片为差分输出，因此输出差分信号Vpp=756 mV。经计算，放大倍数为-1.51 dB，与LO 模式下增益表达式GAIN(dB)=50(dB/V)×0.1-6.5 dB=-1.5 dB 计算结果基本一致。

（2）增益控制引脚GAIN 接入1 V 电平，使用信号源输入Vpp=17 mV、频率为450 kHz 的标准正弦信号，如图6 所示。

用示波器测量输出端信号，如图7 所示。可以看出，输出信号频率为449.4 kHz，与输入信号频率基本一致。读出单端信号Vpp=1.27 V。由于可控增益芯片为差分输出，因此输出差分信号Vpp=2.54 V。经计算，放大倍数为43.47 dB，与LO 模式下增益表达式GAIN(dB)=50(dB/V)×1-6.5 dB=43.5 dB 计算结果基本一致。

（3）信号源输入频率450 kHz、幅度适宜的标准正弦波，通过示波器测量差分输出端电压值（单端值的2 倍），计算实际放大增益与增益控制引脚GAIN 接入电平的关系，结果如表2 所示。幅度适宜主要原因是GAIN 在0.1～1.0 V 范围内增益范围为-1.5～43.5 dB，信号可以被放大也可以被缩小。如果输入信号太小增益没有达到一定值时，输出信号会很小，不利于示波器读取输出信号结果；如果信号太大放大增益到达一定值时，输出信号幅值会大于4.5 V 而造成信号失真。

表2 实际、理论增益与GAIN 值关系表

5 结语

本文详细介绍了AD8332 可控增益芯片的原理特性。根据芯片典型电路设计形式，利用Altium Designer 软件设计了一种可控增益放大器。经过测试，实际增益与GAIN的关系与理论增益曲线一致。此外，测试显示多通道模拟接收电路中由于可控增益电路引入的相位误差的问题基本不存在，说明多波束成像声呐根据目标距离选择合适的放大倍数得到了很好地应用。